EP1079179B1 - Process for adapting the operating condition of a gas-turbine staged combustion chamber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer beispielsweise eines Fluggasturbinen-Triebwerks oder einer statischen Gasturbine, deren Pilotbrenner stets mit einer gewissen Brennstoffmenge versorgt wird/werden, während deren Hauptbrenner(n) nur bei höherer Triebwerksleistung Brennstoff zugemessen wird, wobei stromab einer die gesamte Brennstoffmenge bestimmenden Steuer-Ventil-einheit eine diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom auf den/die Pilotbrenner sowie den/die Hauptbrenner veränderbar aufteilende Stufungs-Ventileinheit vorgesehen ist, die beide von einem Triebwerksregler angesteuert werden, der für die Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit die gewünschte Triebwerksleistung zugrunde legt. Ein derartiges Brennstoffeinspritzsystem ist aus der WO 95/17632 bekannt.The invention relates to a fuel injection system for a tiered combustion chamber, for example of an aircraft gas turbine engine or a static gas turbine, whose pilot burner is always supplied with a certain amount of fuel, during their main burner (s) only at higher engine power Fuel is metered, with one downstream the whole Control valve unit determining the fuel quantity this total fuel mass flow to the pilot burner (s) as well as the grading valve unit, which divisible the main burner is provided, both by an engine controller can be controlled, for the control of the step valve unit the desired engine performance sets. Such a fuel injection system is from the WO 95/17632 known.

Mit einer so genannten gestuften Brennkammer sind an einer Gasturbine, insbesondere an einem Fluggasturbinen-Triebwerk, verringerte Schadstoffemissionen erzielbar, wenn die Brennstoffeinspritzung in die Brennkammer hierfür geeignet ausgelegt wird. Insbesondere muss hierfür die genannte Stufungs-Ventileinheit geeignet angesteuert werden, das heißt die Aufteilung der der Brennkammer in einem bestimmten Betriebspunkt zugemessenen gesamten Brennstoffmenge auf deren so genannten Pilotzone, welcher der oder zumeist die mehrfach vorhandenen Pilotbrenner zugeordnet ist/sind, sowie auf deren Hauptzone, welcher der oder zumeist die mehrfach vorhandenen Hauptbrenner zugeordnet ist/sind, sollte unter Verwendung von Kennfeldern erfolgen, die bevorzugt im Hinblick auf niedrige Schadstoffemissionen der Brennkammer beziehungsweise der in dieser stattfindenden Verbrennung hin ausgelegt sind. Selbstverständlich können bei der Auslegung dieser Kennfelder auch weitere Kriserien berücksichtigt werden, so bspw. eine möglichst große Stabilitätsreserve gegenüber einer Flammenverlöschung. In diesem Zusammenhang sei noch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass unter der genannten Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes auf die Pilotzone sowie auf die Hauptzone der Brennkammer auch derjenige Zustand zu verstehen ist, in dem die gesamte Brennstoffmenge alleine dem/den Pilotbrenner(n) zugeführt wird.With a so-called stepped combustion chamber on a gas turbine, especially on an aircraft gas turbine engine Pollutant emissions achievable when fuel injection suitably designed for this in the combustion chamber becomes. In particular, the step valve unit mentioned must be used for this appropriately controlled, that is, the division that of the combustion chamber at a certain operating point measured total amount of fuel on their so-called Pilot zone, which is or mostly the duplicate Pilot burner is / are assigned, as well as on their main zone, which one or mostly the multiple existing main burner is / should be assigned using maps take place, preferably with regard to low pollutant emissions the combustion chamber or the one taking place in it Are designed for combustion. Of course can also design other crisis series when designing these maps are taken into account, for example the largest possible stability reserve against flame extinction. In this Context it should be expressly pointed out that under the named division of the total fuel mass flow on the pilot zone as well as on the main zone of the combustion chamber the state to be understood in which the total amount of fuel is only supplied to the pilot burner (s).

In der eingangs genannten WO 95/17632 wird von einem so genannten schubindikativen Parameter gesprochen, anhand dessen die genannte Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes vorgenommen wird, das heißt dieser schubindikative Parameter dient als Eingangsgröße für die Ansteuerung einer so genannten Stufungs-Ventileinheit, die die genannte Aufteilung der von einer Steuer-Ventileinheit zugemessenen gesamten Brennstoffmenge auf die Pilotbrenner sowie auf die Hauptbrenner vornimmt. Dieser dort so genannte schubindikative Parameter, der allgemein auch als Stufungsparameter bezeichnet werden kann und als ein solcher verwendet wird, ist dabei auch eine Kenngröße für die gewünschte Triebwerksleistung, die mit dem zugemessenen Gesamt-Brennstoffmassenstrom erzeugt werden kann. Für diesen Stufungsparameter, der selbstverständlich einfach erfassbar beziehungsweise messbar sein soll, werden in dieser genannten Schrift entweder die Gastemperatur am Kompressor-Austritt oder der Quotient aus dem Gesamt-Brennstoffmassenstrom und dem Druck in der Brennkammer vorgeschlagen.In the aforementioned WO 95/17632 a so-called thrust indicative parameters, based on which the mentioned division of the total fuel mass flow made is, that is, this thrust-indicative parameter serves as an input variable for the control of a so-called step valve unit, the said division of a Control valve unit metered total amount of fuel the pilot burner and the main burner. This there so-called thrust-indicative parameters, which in general also can be referred to as a grading parameter and as such is used is also a parameter for the desired Engine power with the metered total fuel mass flow can be generated. For this grading parameter, which of course is easy to grasp respectively should be measurable, are mentioned in this document either the gas temperature at the compressor outlet or the quotient from the total fuel mass flow and the pressure in the Combustion chamber suggested.

Wie bereits erwähnt wurde, soll die Stufungs-Ventileinheit bevorzugt unter Rückgriff auf emissionsoptimierte Kennfelder angesteuert beziehungsweise betätigt werden, das heißt der so genannte Stufungsparameter, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit (wegen des Rückgriffs auf die genannten Kennfelder) anhand einer Schaltgeraden angesteuert wird, sollte nicht nur einen Bezug zur Triebwerksleistung haben, sondern in direkter Weise auch mit dem Betrieb der Brennkammer in Zusammenhang stehen, um die Vorteile, die eine gestufte Brennkammer hinsichtlich verringerter Schadstoffemissionen grundsätzlich besitzt, auch tatsächlich nutzen zu können. As already mentioned, the step valve unit should be preferred Controlled using emission-optimized maps or operated, that is, the so-called Grading parameters, based on which the grading valve unit (because of the recourse to the maps mentioned) a switching line should be controlled, not just one Related to engine performance, but more directly Are also related to the operation of the combustion chamber, about the advantages that a stepped combustion chamber has in terms of generally has reduced pollutant emissions, to actually be able to use.

Bei der Regelung eines Gasturbinenflugtriebwerks mit einer schadstoffarmen, gestuften Brennkammer ist ein ständiges Hinund Herstufen zwischen Pilot- und Zweistufenbetrieb bei kleinen Drehzahl- oder Lastoszillationen zu vermeiden. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die Triebwerksstabilität sondern beeinflusst die Lebensdauer der Heißteile negativ. Eine so genannte Schalthysterese verhindert durch ein entsprechend breit definiertes Hystereseband unerwünschtes zyklisches Schalten der Kraftstoffstufung.When controlling a gas turbine aircraft engine with a Low-pollution, stepped combustion chamber is a constant fuss Switch between pilot and two-stage operation with small ones Avoid speed or load oscillations. This has not only affects engine stability but affects the service life of the hot parts is negative. A so-called Switching hysteresis prevented by a correspondingly broadly defined Hysteresis band unwanted cyclic switching of the Fuel staging.

Allgemein werden solche Hysterese-Verfahren in der Regelung häufig eingesetzt. Durch die Definition eines oberen und eines unteren Stufungspunktes wird zum Beispiel ein Zurückstufen in den Pilotbetrieb erst vorgenommen, wenn der untere Stufungspunkt unterschritten wurde und damit auch eine entsprechend größere Laständerung des Triebwerks stattgefunden hat. Ein solches Verfahren ist in der WO 95/17632 beschrieben.Such hysteresis methods are generally used in the control frequently used. By defining an upper and a lower grading point, for example, a downgrading to pilot operation only carried out when the lower grading point was undershot and therefore a corresponding major engine load change has occurred. Such one The method is described in WO 95/17632.

Die Nutzung einer Schalthysterese bringt folgende Nachteile mit sich: Die ständige Berechnung zweier Stufungspunkte (unterer und oberer) erfordert einen höheren Software-Aufwand als die Verwendung eines einzelnen Stufungspunktes. Weiterhin erfordert die Verwendung eines Hysteresebandes im Stufungsschaltplan einen weiter gehenden Kompromiss hinsichtlich der Optimierung zur Schadstoffarmut im Stufungsbereich als die Verwendung eines einzelnen Stufungspunktes. Auch die Qualität des Stufungsparameters wird in der Praxis durch Signalrauschen zu Zugeständnissen in der Breite des Hysteresebandes führen. Darunter leidet auch die Schadstoffoptimierung beziehungsweise es muss teure Messtechnik zum Einsatz kommen. Beim Einsatz einer Schalthysterese ist deren Bandbreite flexibel und abhängig vom transienten Zustand des Triebwerks zu halten. Auch dies stellt hohe Ansprüche an das Messsignal. The use of a switching hysteresis has the following disadvantages itself: The constant calculation of two grading points (lower and upper) requires a higher software effort than that Use of a single grading point. Still requires the use of a hysteresis band in the grading circuit diagram further compromise with regard to optimization Low levels of pollutants as the use of a individual grading point. Also the quality of the grading parameter becomes a concession in practice through signal noise lead in the width of the hysteresis band. Suffer from also the pollutant optimization or it has to be expensive Measurement technology are used. When using a Switching hysteresis, its bandwidth is flexible and depends on to maintain the transient state of the engine. This also poses high demands on the measurement signal.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, an einem Brennstoffeinspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer der Betrieb der Brennkammer des Fluggasturbinen-Triebwerks insbesondere hinsichtlich niedriger Schadstoffemissionen weiter verbessert werden kann.The object of the present invention is therefore on a Fuel injection system according to the preamble of claim 1 To show measures with the help of which the operation of the combustion chamber of the aircraft gas turbine engine in particular with regard lower pollutant emissions can be further improved.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention, the object is characterized by the features of Main claim solved, the sub-claims show further advantageous Embodiments of the invention.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.The invention is characterized by a number of significant advantages out.

Erfindungsgemäß wurde ein Regelkonzept zum sicheren und verlustminimierenden Betrieb einer gestuften Brennkammer für Flugtriebwerke gefunden. Die gestufte Brennkammer kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Regelsystems in zwei verschiedenen Betriebzuständen betrieben werden. Im unteren Lastbereich wird der gesamte Kraftstoff in die Pilotzone der Brennkammer eingesprüht. In diesem Modus entspricht die Operationsweise der gestuften Brennkammer der einer ungestuften Brennkammer. Zusätzlich werden im ungestuften Betrieb die Hauptbrenner mit Kraftstoff aus dem Pilotzweig gekühlt, um die Verkokungsgefahr zu verringern. Ab einem bestimmten Betriebspunkt erfolgt die definierte Zuschaltung der Hauptstufe, sodass beide Ringleitungen (Pilotstufe und Hauptstufe) mit Kraftstoff versorgt werden. Die Aufteilung des Kraftstoffs erfolgt über ein zusätzliches Zumessventil, das den Gesamtkraftstoff auf den Pilot- und den Hauptzweig verteilt. Dieser Betriebszustand der Brennkammer wird als gestufter Modus bezeichnet.According to the invention, a control concept for safe and loss-minimizing Operation of a staged combustion chamber for aircraft engines found. The stepped combustion chamber can with the help of the control system according to the invention in two different operating states operate. In the lower load range all the fuel is sprayed into the pilot zone of the combustion chamber. In this mode, the mode of operation corresponds to the tiered Combustion chamber of an unclassified combustion chamber. additionally become the main burner with fuel in non-staged operation cooled from the pilot branch to reduce the risk of coking reduce. From a certain operating point, the defined one takes place Connection of the main stage, so that both ring lines (Pilot stage and main stage) are supplied with fuel. The The fuel is distributed via an additional metering valve, that the total fuel on the pilot and the Main branch distributed. This operating state of the combustion chamber is called tiered mode.

Ein wesentliches Element des neuen Verfahrens ist das Zeitelement "TIMER". Die vorgeschaltete Logik zur Berechnung eines nominalen Stufungspunktes ermöglicht somit, dass über eine Summationsstelle verschiedene Einflüsse wie zum Beispiel instationärer Betrieb und Flughöhe berücksichtigt werden können. Ist die Differenz zwischen dem neuen angepassten Schaltpunkt und dem aktuellen Messwert kleiner als ein Grenzwert, wird der gestufte Modus selektiert (Kommando für Stufungspunkt, SPK = 1). Nach dem Über- beziehungsweise Unterschreiten des nominalen Stufungspunktes wird der Umschaltvorgang zeitlich verzögert, wenn die Zeitdauer seit dem Ausführen der letzten Stufung kleiner ist als eine vordefinierte Zeitkonstante, die in einem Kennfeld abgelegt ist.An essential element of the new process is the time element "TIMER". The upstream logic for calculating a nominal Grading point thus enables that via a summation point various influences such as transient Operation and altitude can be taken into account. Is the Difference between the new adjusted switching point and the current measured value is less than a limit value, the stepped Mode selected (command for grading point, SPK = 1). To the exceeding or falling below the nominal grading point the switching process is delayed if the length of time since the last step was carried out is as a predefined time constant in a map is filed.

Sobald SPK den Wert 1 annimmt, wird das Zeitelement "TIMER" aktiviert. Die Funktion "TIMER" besitzt als Eingangsgröße den aktuellen, momentanen Wert von SPK. Der Parameter t_{MIN, Stufung} dient zur Steuerung des Elementes "TIMER" und beschreibt die Zeitdauer, die mindestens zwischen zwei Stufungsereignissen eingehalten werden muss, wenn zwischen den beiden Betriebszuständen umgeschaltet werden soll. Liegt das Kommando für eine weitere Stufung innerhalb des Zeitfensters, wird die Ausgangsgröße des Zeitelementes (zeitverzögertes Kommando für Stufungspunkt, SPK*) solange auf den Wert der Eingangsgröße (= SPK) gehalten, bis die aktuelle Zeitspanne seit der letzten Stufung größer ist als das minimale Stufungsintervall, das heißt t_TIMER > t_MIN,Stufung.As soon as SPK assumes the value 1, the "TIMER" time element is activated. The "TIMER" function has the current, current value of SPK as the input variable. The parameter t _{MIN, gradation} is used to control the "TIMER" element and describes the length of time that must be observed at least between two grading events if you want to switch between the two operating states. If the command for a further grading is within the time window, the output variable of the time element (time-delayed command for grading point, SPK *) is kept at the value of the input variable (= SPK) until the current time period since the last grading is greater than the minimum Step interval, that is t _TIMER > t _{MIN, step} .

Das Kennfeld für den minimalen Stufungszyklus t_MIN,Stufung berücksichtigt den Einfluss schneller Lastwechsel des Flugtriebwerkes. Bei schnellen Lastwechseln, bei denen eine unverzügliche Systemantwort des Triebwerkes zum Beispiel beim Durchstarten gefordert wird, ist die Forderung nach der Einhaltung eines minimalen Stufungszyklus von untergeordneter Bedeutung, sodass der Wert von t_MIN,Stufung gleich 0 ist. Je langsamer der Lastwechsel ist, desto größer wird t_MIN,Stufung und erreicht im Fall quasi-stationärer Lastwechsel den Maximalwert, der unendlich groß ist (t_MIN,Stufung » 1 sec). In diesem Fall, wenn kein Lastwechsel erfolgt beziehungsweise die Schubhebelposition unverändert bleibt, ist der Betriebszustand der Brennkammer "eingefroren" das heißt- ändert sich nicht und die Brennkammer verharrt in ihrem vorherigen Betriebsmodus (entweder ungestuft oder gestuft). Erst wenn ein Lastwechsel durch eine Drehzahländerung (IdNH/dtl > 0) auftritt, kann sich der Betriebszustand der Brennkammer ändern und es wird wieder ein endlicher minimaler Stufungszyklus (t_MIN,stufung < 1 sec) selektiert.The map for the minimum grading cycle t _{MIN, grading} takes into account the influence of rapid load changes of the aircraft engine. In the case of rapid load changes, in which an immediate system response of the engine is required, for example when taking off, the requirement for compliance with a minimum grading cycle is of secondary importance, so that the value of t _{MIN, gradation} is 0. The slower the load change, the greater t _{MIN, gradation} and, in the case of quasi-stationary load changes, reaches the maximum value that is infinitely large (t _{MIN, gradation} »1 sec). In this case, if there is no load change or the thrust lever position remains unchanged, the operating state of the combustion chamber is "frozen", that is, it does not change and the combustion chamber remains in its previous operating mode (either unclassified or stepped). Only when a load change occurs due to a change in speed (IdNH / dtl> 0) can the operating state of the combustion chamber change and a finite minimum step cycle (t _{MIN, step} <1 sec) is selected again.

Die Ausgangsgröße SPK* der Funktion "TIMER" dient als Steuergröße für ein nachfolgendes Auswahlelement. Besitzt SPK* den Wert 0, wird am Auswahlelement "F" (= falsch) selektiert. In diesem Zustand ist der berechnete Betriebszustand (BZ) der gestuften Brennkammer gleich SPK, das heißt zur Auswahl des Betriebsmodus wird der aktuelle Wert der Stufungspunktberechnung herangezogen. Sobald SPK* = 1 ist, das heißt eine Stufung innerhalb von t_NIN,Stufung erfolgen soll, wird im Gegensatz dazu (Auswahlelement "T" (= true, richtig)) der historische Wert von BZ, das heißt der Wert aus dem letzten Zeitschritt Z^-1, verwendet. Damit wird sichergestellt, dass zwischen beiden Betriebsmodi kein zyklisches Schalten des Stufungsventils auftritt. Bei Überschreiten des Zeitkriteriums für den minimalen Stufungszyklus wird der Betriebszustand (0 = ungestuft, 1 = gestuft) wieder nach der erfindungsgemäßen Berechnungsvorschrift kontrolliert.The output variable SPK * of the "TIMER" function serves as a control variable for a subsequent selection element. If SPK * has the value 0, "F" (= wrong) is selected on the selection element. In this state, the calculated operating state (BZ) of the stepped combustion chamber is equal to SPK, which means that the current value of the staging point calculation is used to select the operating mode. In contrast, as soon as SPK * = 1, i.e. a gradation within t _{NIN, gradation is to} take place (selection element "T" (= true, correct)), the historical value of BZ, that is the value from the last time step Z ^-1 used. This ensures that there is no cyclical switching of the step valve between the two operating modes. If the time criterion for the minimum grading cycle is exceeded, the operating state (0 = not graded, 1 = graded) is checked again according to the calculation rule according to the invention.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit ein hohes Maß an Flexibilität bei der Regelung des Betriebszustandes einer gestuften Brennkammer, da durch die Einführung einer variablen Zeitfunktion ein stabiler Betrieb der Brennkammer im ungestuften und gestuften Betrieb sichergestellt ist. Ein erhöhtes Signalrauschen der Regelparameter zum Beispiel von P30 wirkt sich nicht auf die Auswahl des Betriebszustandes im stationären Betrieb des Flugtriebwerkes aus, da in diesem Fall ein Umschalten nicht möglich ist. Erst bei einem Lastwechsel, der in Form einer Änderung der Hochdruckdrehzahl detektiert wird (IdNH/dtl > 0), ist ein weiterer Schaltvorgang freigegebenThe present invention thus enables a high degree of Flexibility in regulating the operating status of a tiered Combustion chamber because of the introduction of a variable Time function a stable operation of the combustion chamber in the non-graded and staged operation is ensured. An elevated one Signal noise of the control parameters, for example from P30, has an effect does not rely on the selection of the operating state in the stationary Operation of the aircraft engine off, since in this case switching not possible. Only when there is a load change that is in shape a change in the high-pressure speed is detected (IdNH / dtl > 0), another switching process is enabled

. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Triebwerksleistung durch die Belastung der Gasturbinen-Brennkammer in Form eines so genannten Stufungsparameters (SP) charakterisiert ist, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird und wobei der Stufungsparameter (SP) aus einem der folgenden funktionalen Zusammenhänge abgeleitet wird:, According to the invention it is further provided that the engine power due to the load on the gas turbine combustion chamber Characterized form of a so-called grading parameter (SP) on the basis of which the step valve unit is corresponding a switching straight line is controlled and the step parameter (SP) from one of the following functional relationships is derived:

Nach dem ersten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30) multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF / P30 • T30].After the first functional relationship, the total fuel mass flow (WF) by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) divided and this quotient with the gas temperature multiplied at the combustion chamber inlet (T30), that is the grading parameter SP is a function of [WF / P30 • T30].

Nach dem zweiten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Quadratwurzel der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30) multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF / P30 • (T30)1/2 ].After the second functional relationship, the total fuel mass flow (WF) by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) divided and this quotient with the square root multiply the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30), that is, the grading parameter SP is a function from [WF / P30 • (T30) 1/2].

Nach dem dritten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Quadratwurzel des Quotienten aus der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30) und der Gastemperatur am Triebwerks-Eintritt (T20) multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF / P30 • (T30 / T20)^½].After the third functional relationship, the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient with the square root of the quotient from the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30) and the gas temperature at the engine inlet ( T20) multiplied, i.e. the grading parameter SP is a function of [WF / P30 • (T30 / T20) ^½ ].

Nach dem vierten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit dem Wert der Größe der Total-Temperatur stromab der Hochdruckturbine (= - T44) oder mit der Quadartwurzel hiervon multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF / P30 • T44] beziehungsweise SP ist eine Funktion von [WF / P30 • (T44)^½]. After the fourth functional relationship, the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient is multiplied by the value of the size of the total temperature downstream of the high-pressure turbine (= - T44) or by the square root thereof , ie the grading parameter SP is a function of [WF / P30 • T44] or SP is a function of [WF / P30 • (T44) ^½ ].

In anderen Worten ausgedrückt soll die Regelung des Brennstoffeinspritzsystems einer gestuften Gasturbinen-Brennkammer also durch einen die Belastung dieser Brennkammer charakterisierenden Stufungsparameter erfolgen, wobei die besagte Stufungsventileinheit entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird und der Stufungsparameter aus einem der oben aufgelisteten Zusammenhänge abgeleitet wird.In other words, the regulation of the fuel injection system a tiered gas turbine combustion chamber by characterizing the load on this combustion chamber Grading parameters take place, said step valve unit is controlled according to a switching line and the grading parameter from one of the relationships listed above is derived.

Erfindungsgemäß handelt es sich nun beim Stufungsparameter (SP) weniger um einen schubindikativen Parameter sondern vielmehr um einen die Brennkammerbelastung widerspiegelnden Parameter, sodass die Kennfelder, auf welche über diesen Stufungsparameter zugegriffen wird und aus denen heraus die Stufungs-Ventileinheit entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird, unter deutlich stärkerer Bezugnahme auf die Brennkammer und somit auf die darin stattfindende Verbrennung ausgelegt werden können. Damit ist eine verbesserte Verbrennung in nahezu allen Brennkammer-Betriebszuständen, in denen eine gestufte Verbrennung erfolgt, das heißt in denen sowohl die Pilotbrenner als auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden, erzielbar.According to the invention, the grading parameter (SP) is now less about a thrust-indicative parameter but rather about a parameter reflecting the combustion chamber load, so that the maps to which this grading parameter applies is accessed and from which the step valve unit is controlled according to a switching line, under much stronger reference to the combustion chamber and thus to the combustion taking place in it can be designed. This means improved combustion in almost all combustion chamber operating states, in which a staged combustion takes place, that is in which both the pilot burner and the main burners are supplied with fuel, achievable.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) über eine spezielle Kalibriertabelle in Abhängigkeit von der Ventilposition der eingangs bereits genannten Steuer-Ventileinheit, die diesen in Form eines primären Zumessventiles bestimmt, berechnet werden kann. Dabei kann das diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom wiedergebende Signal, das gegenüber Signalrauschen besonders anfällig sein kann, mit Hilfe geeigneter Tiefpasselemente gefiltert werden. Ferner können die Anforderungen an das jeweils gewünschte Brennstoff-Luft-Verhältnis in den einzelnen Betriebspunkten (insbesondere auch hinsichtlich der jeweiligen Flamm-Verlöschgrenzen) über funktionale Zusammenhänge in entsprechenden Kennfeldern abgebildet werden. In this context it should be noted that the total fuel mass flow (WF) via a special calibration table depending on the valve position of those already mentioned Control valve unit, this in the form of a primary Metering valves determined, can be calculated. It can this signal representing the total fuel mass flow, the can be particularly susceptible to signal noise with Be filtered using suitable low-pass elements. Further can meet the requirements for the desired fuel-air ratio in the individual operating points (in particular also with regard to the respective flame extinguishing limits) functional correlations in corresponding maps be mapped.

Wie bereits erläutert wurde, kann eine gestufte Brennkammer mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Regelsystems in zwei verschiedenen Operationsmodi betrieben werden. Im unteren Lastbereich des Triebwerks wird der gesamte Brennstoff in die Pilotzone der Brennkammer eingesprüht, sodass in diesem Modus die Operationsweise der gestuften Brennkammer derjenigen einer ungestuften Brennkammer entspricht. Ab einem bestimmten Betriebspunkt erfolgt die definierte Zuschaltung der Hauptstufe, wonach sowohl die Pilotbrenner als auch Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden. Das Umschalten zwischen dem ungestuften und dem gestuften Betriebsmodus erfolgt unter Einbeziehung des erfindungsgemäßen Zeitelements (TIMER), wobei bei einem Ansteigen der Triebwerksleistung über den Stufungspunkt die Hauptbrenner zugeschaltet und bei Absinken der Triebwerksleistung unter den Stufungspunkt die Hauptbrenner abgeschaltet werden.As already explained, a stepped combustion chamber can be used With the help of a control system according to the invention in two different operating modes. At the bottom The load range of the engine is all the fuel in the Pilot zone of the combustion chamber sprayed, so in this mode the operation of the stepped combustion chamber of that one unrated combustion chamber corresponds. From a certain one Operating point is the defined connection of the Main stage, after which both the pilot burner and Main burner can be supplied with fuel. Switching between the non-tiered and tiered operating modes takes place with the inclusion of the time element according to the invention (TIMER), whereby when the engine power increases over the grading point switched on the main burner and when it drops the main burner in terms of engine performance below the staging point be switched off.

In einem quasistationären Betriebszustand des Triebwerks wird der Stufungspunkt bevorzugt aus einem Kennfeld in Abhängigkeit vom erfindungsgemäßen Stufungsparameter ermittelt. Damit jedoch erwünschtermaßen stets beim gleichen Wert für das Brennstoff-Luftverhältnis umgeschaltet wird, sollen nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verschiedene Einflüsse berücksichtigt werden. Der Stufungspunkt ergibt sich durch Addition beziehungsweise Subtraktion von Korrekturgliedern (ΔSP) zu beziehungsweise von dem nominalen, aus einem der weiter oben genannten funktionalen Zusammenhänge abgeleiteten Stufungsparameter (SP). Dabei sei darauf hingewiesen, dass für jeden Einflussparameter ein eigenes additives Korrekturglied vorgesehen sein kann, die dann alle aufsummiert werden können, sodass praktisch alle wesentlichen Einflussparameter bei der Berechnung des Stufungspunktes über eine einfache Summenbildung berücksichtigt werden können. Der einzelne Beitrag der Einflussparameter wird dabei als relative Änderung zum nominalen Stufungspunkt erfasst. In a quasi-stationary operating state of the engine the grading point is preferably dependent on a map determined by the grading parameter according to the invention. But with that Desirably always at the same value for the fuel-air ratio is toggled, according to an advantageous Further development of the invention different influences be taken into account. The grading point results from Addition or subtraction of correction elements (ΔSP) to or from the nominal, from one of the derived functional relationships mentioned above Grading parameters (SP). It should be noted that for each influencing parameter has its own additive correction element can be provided, which can then all be summed up, so that practically all essential influencing parameters in the Calculation of the grading point by simple summation can be taken into account. The single contribution of Influence parameter is used as a relative change to nominal grading point recorded.

Ein erster derartiger Einflussparameter ist der Absolutwert des Gasdruckes (P30) und/oder die Gastemperatur (T30) am Brennkammer-Eintritt. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, den Stufungsvorgang vom ungestuften in den gestuften Betrieb zu verzögern, sobald der Brennkammer-Eintrittsdruck (P30) und/oder die Brennkammer-Eintrittstemperatur (T30) unterhalb bestimmter durch Brennkammerversuche ermittelte Grenzwerte für den stabilen Betrieb der Brennkammer sinkt/sinken. Diese Funktion ist insbesondere im gestuften Modus aktiv und führt bei Unterschreitung der genannten Grenzwerte für (P30) und/oder (T30) zum Umschalten in den Pilotbetrieb, in welchem nur die Pilotbrenner mit Brennstoff versorgt werden.A first such influencing parameter is the absolute value of the Gas pressure (P30) and / or the gas temperature (T30) at the combustion chamber inlet. In this regard, it is proposed that Grading process from the non-graded to the graded operation delay as soon as the combustion chamber inlet pressure (P30) and / or the combustion chamber inlet temperature (T30) below certain limit values determined by combustion chamber tests for the stable operation of the combustion chamber decreases / decreases. this function is particularly active in tiered mode and leads Falling below the stated limit values for (P30) and / or (T30) to switch to pilot mode, in which only the Pilot burners are supplied with fuel.

Ein zweiter Einflussparameter ist die korrigierte Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2RT20) und der Gasdruck am Triebwerkseintritt (P20). Mit Hilfe dieser weiteren redundanten Funktion kann ein Umschalten vom ungestuften in den gestuften Modus unterhalb des Leerlaufbetriebszustandes des Triebwerkes verhindert werden. Konkret wird hierfür vorgeschlagen, in Abhängigkeit von definierten Grenzwerten für die korrigierte Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2RT20) und für den Fan-Eintrittsdruck (P20) den Stufungspunkt künstlich zu sehr hohen Werten für den Stufungsparamter (SP) zu verschieben und damit solange ein Umschalten zu verhindern, bis diese Grenzwerte überschritten sind.A second influencing parameter is the corrected speed of the High pressure compressor (N2RT20) and the gas pressure at the engine inlet (P20). With the help of this additional redundant function can switch from non-tiered to tiered mode below the idle operating state of the engine be prevented. Specifically, this is suggested in Dependence on defined limit values for the corrected Speed of the high pressure compressor (N2RT20) and for the fan inlet pressure (P20) the grading point artificially too high To shift values for the grading parameter (SP) and thus as long as to prevent switching until these limit values are exceeded.

Ein dritter Einflussparameter ist die Flughöhe des Fluggasturbinen-Triebwerks sowie Änderungen von Umgebungsbedingungen.A third influencing parameter is the flight altitude of the aircraft gas turbine engine as well as changes in environmental conditions.

Ein vierter Einflussparameter schließlich ist die Lastwechselgeschwindigkeit des Triebwerkes, und zwar mit folgendem Hintergrund: Im gestuften Modus ist die Stabilität der Verbrennung in der Pilotzone zur Gewährleistung eines sicheren Betriebes der Brennkammer von entscheidender Bedeutung. Damit in jedem Betriebszustand keine Flammenverlöschung der Pilotbrenner durch eine ungünstige Brennstoffaufteilung auf die beiden Brennstoffkreise, das heißt auf die Pilotbrenner und auf die Hauptbrenner auftreten kann, wird der Umschaltvorgang vom reinen Pilotbetrieb in den gestuften Betrieb bei schnellen instationären Lastwechselvorgängen verzögert. Dazu wird auf den bereits genannten Grundwert des Stufungspunktes ein vom Betriebszustand der Brennkammer abhängiger Offset addiert. Hierdurch wird der Stufungspunkt bei schnellen Lastwechseln zu höheren Werten des erfindungsgemäßen Stufungsparameters (SP) hin verschoben.Finally, a fourth influencing parameter is the load change speed of the engine, with the following background: In the stepped mode, the combustion stability is in the pilot zone to ensure safe operation of the Combustion chamber vital. So in everyone Operating state no flame extinction of the pilot burner an unfavorable fuel distribution between the two Fuel circuits, that is, on the pilot burner and on the Main burner can occur, the switching process from pure pilot operation in staged operation at fast unsteady load changes are delayed. For this, the already mentioned basic value of the grading point from Operating state of the combustion chamber dependent offset added. As a result, the grading point becomes too fast during load changes higher values of the grading parameter (SP) according to the invention postponed.

Ein fünfter Einflussparameter berücksichtigt den Einfluss des Verdichterpumpens auf die Stabilität der Verbrennung in der gestuften Brennkammer.A fifth influencing parameter takes into account the influence of the Compressor pumping on the stability of the combustion in the staged Combustion chamber.

In diesem Zusammenhang sei noch beschrieben, auf welche Weise ein schneller, sicherer und schubverlustfreier Übergang zwischen den beiden Operationsmodi der gestuften Brennkammer gewährleistet werden kann. Ein Stufungsvorgang das heißt ein Wechsel des Operationsmodus sollte nämlich keine signifikanten Auswirkungen auf das Verhalten des gesamten Triebwerkes, wie z.B. Verdichterpumpen durch instabile Verbrennung oder vierringerten Pumpgrenzenabstand, Schubverlust, Flammenverlöschung, Beschädigung der Turbine durch Überhitzung, etc. hervorrufen. Folgende Methoden werden für einen schnellen und sicheren Übergang zwischen den Operationsmodi vorgeschlagen:In this context, it will be described how a fast, safe and loss-free transition between the two operating modes of the stepped combustion chamber can be guaranteed. A grading process that is Switching the operating mode should not be significant Effects on the behavior of the entire engine, such as e.g. Compressor pumps due to unstable combustion or four-ringed Surge limit distance, thrust loss, flame extinction, Cause damage to the turbine due to overheating, etc. The following methods are for quick and safe Transition between the modes of operation suggested:

Während schneller Lastwechsel wird die Stabilität und Zündfähigkeit der Verbrennung _durch eine kurzzeitige Anreicherung (Verfettung) des Brennstoff-Luft-Gemisches der Pilotzone sichergestellt, indem die Hauptstufe abgemagert und der damit überschüssige Brennstoff den Pilotbrennern zugeführt wird. Die Pilotzone arbeitet dann in jedem Fall innerhalb ihres Stabilitätsbereiches und dient für das Brennstoff-Luft-Gemisch der Hauptstufe als Zündquelle. Um dies zu erreichen, wird in Abhängigkeit von der momentanen Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung eine erweiterte Brennstoffsplitting-Tabelle, in der in Abhängigkeit vom Stufungsparameter (SP) die Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes auf die Pilotbrenner sowie die Hauptbrenner fest gehalten ist, verwendet. Als indikative Parameter für diese Brennstoffsplitting-Tabelle beziehungsweise für dieses Kennfeld werden sowohl die zeitliche Ableitung der Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2) als auch die zeitliche Ableitung des Brennkammer-Eintrittsdruckes (P30) genutzt. Zusätzlich wird über definierte Schliessratenbegrenzer eine zu starke Änderung des Brennstoffmassenstromes für den Pilotbrenner und damit eine zu starke Änderung der Brennstoff-Luft-Verhältnisse in der Pilotzone verhindert.During rapid load changes, stability and Ignitability of combustion by a short-term Enrichment (degreasing) of the fuel-air mixture Pilot zone ensured by the main stage and emaciated the excess fuel is fed to the pilot burners becomes. The pilot zone then always works within its Stability range and serves for the fuel-air mixture the main stage as an ignition source. To achieve this, in Dependence on the current acceleration respectively Delay an extended fuel splitting table in the depending on the grading parameter (SP) the division of the Total fuel mass flow on the pilot burner and the Main burner is used firmly. As an indicative Parameters for this fuel splitting table respectively for this map, both the time derivative of the Speed of the high pressure compressor (N2) as well as the time Derivation of the combustion chamber inlet pressure (P30) used. In addition, one is closed via defined closing rate limiters strong change in the fuel mass flow for the Pilot burner and thus an excessive change in the fuel-air ratio prevented in the pilot zone.

Parallel beziehungsweise unterstützend hierzu kann ein so genannter Splitwert, der die Kraftstoffaufteilung auf die Pilotbrenner und Hauptbrenner beschreibt (und somit aus der genannten Brennstoffsplitting-Tabelle auffindbar ist) und anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit angesteuert wird, ebenfalls in instationären Zustände angepasst werden. Wie bereits mehrfach erwähnt wurde, wird in quasistationären Betriebszuständen des Triebwerks ein schadstoffoptimiertes Kennfeld zur Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit verwendet, wobei der beziehungsweise einer der erfindungsgemäßen Stufungsparameter als indikative Eingangsgröße für dieses Kennfeld herangezogen wird. Ergänzend wird nun vorgeschlagen, während instationärer Triebwerks-Manöver den berechneten Splitwert durch einen Korrekturfaktor anzupassen, wobei dieser Korrekturfaktor in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Drehzahl insbesondere der Hochdruckwelle des Triebwerks berechnet wird. Diese Anpassung kann dabei derart erfolgen, dass der kommandierte Pilot-Brennstoffmassenstrom und damit das Brennstoff-Luft-Verhältnis der Pilotzone kurzzeitig erhöht wird, um eine Flammenverlöschung der Flammen in der Pilotzone der Brennkammer zu verhindern. Dabei empfiehlt es sich, den so berechneten Splitwert bspw. über für elektronische Steuerkreise bekannte High-Win- und Low-Win-Glieder innerhalb definierter Grenzwerte zu halten. A so-called Split value that the fuel distribution to the pilot burner and main burner describes (and thus from the Fuel splitting table can be found) and based on this the step valve unit is controlled, also in transient states can be adjusted. As already several times was mentioned, is in quasi-stationary operating states of the Engine a pollutant-optimized map for control the step valve unit used, the or one of the grading parameters according to the invention as indicative Input variable for this map is used. additional is now proposed during transient engine maneuvers adjust the calculated split value by a correction factor, this correction factor depending on the temporal change in the speed, in particular the high pressure wave of the engine is calculated. This adjustment can be done take place in such a way that the commanded pilot fuel mass flow and thus the fuel-air ratio of the pilot zone is briefly increased to extinguish the flames in the pilot zone of the combustion chamber. Recommends it is the split value calculated in this way, for example, for electronic Control circuits known high-win and low-win elements within defined limits.

Um in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems bei Erkennen eines Pumpens des Verdichters des Fluggasturbinen-Triebwerks einen stabilen Betrieb der gestuften Brennkammer zu gewährleisten, ist Folgendes vorgesehen: Die bereits bekannten beziehungsweise existierenden Triebwerks-Regelgesetze können ein auftretendes Verdichterpumpen bevorzugt durch das Erfassen stark schwankender Werte des Gasdruckes (P30) am Brennkammer-Eintritt und durch einen anschließenden Vergleich mit einem gesetzten Grenzwert detektieren. Nun wird vorgeschlagen, dass die Ausgangsgröße dieser Logik in einer digitalen elektronischen Steuereinheit zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems ein Flag für den Zeitraum des detektierten Pumpvorgangs auf den Wert "1" setzt. Dieser Flag wird dann genutzt, um in den ebenfalls in der elektronischen Steuereinheit implementierten Regelgesetzen für die gestufte Verbrennung für den Zeitraum des Verdichterpumpens die Schaltgerade zu verändern, (wozu bereits an dieser Stelle auf die später noch näher erläuterte Figur 5 verwiesen wird). Dazu wird der Stufungspunkt in den Bereich hoher Lastpunkte verschoben, sodass die gestufte Brennkammer in dem Betriebmodus vor dem Auftreten des Verdichterpumpens verweilt. Damit wird bei einer starken Änderung des Stufungsparameters ein zyklisches Schalten zwischen den beiden Operationsmodi der Brennkammer (das heißt zwischen Pilotbetrieb, in dem nur die Pilotbrenner mit Brennstoff versorgt werden, und dem gestuften Betrieb, in dem auch die Hauptbrenner Brennstoff erhalten) verhindert. Nach dem Pumpen - das heißt sobald das Flag wieder den Wert "0" annimmt - wird der Wert für den Stufungspunkt wieder entsprechend den hier beschriebenen (regulären) Regelgesetzen für den gestuften Brennkammerbetrieb berechnet. Der Vorteil dieser Methode liegt neben dem Vereindern zyklischen Schaltens auch darin, dass der aktuelle Kraftstoffsplit während des kurzzeitigen Pumpens des Verdichters ohne ein Wechsel des Betriebsmodus immer noch aus einem Kennfeld berechnet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Pilotkraftstoffmassenanteil entsprechend dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis bestimmt wird und eine genügend hohe Stabilitätsreserve gegenüber Flammenverlöschung erhalten bleibt.In order in a further advantageous development of the invention Fuel injection system upon detection of a pump the compressor of the aircraft gas turbine engine a stable Operation of the stepped combustion chamber is to be ensured Provided the following: The already known or Existing engine control laws can be an emerging one Compressor pumps are preferred due to the detection of strongly fluctuating Values of the gas pressure (P30) at the combustion chamber inlet and by a subsequent comparison with a set limit detect. Now it is suggested that the output size this logic in a digital electronic control unit to implement the fuel injection system according to the invention a flag for the period of the detected pumping process to the value "1". This flag is then used to move in that also implemented in the electronic control unit Rules for staged combustion for the period to change the switching line of the compressor pumping (for what already at this point to the figure explained in more detail later 5). To do this, the grading point is in the area high load points shifted so that the stepped combustion chamber in the operating mode before the compressor pumping occurs lingers. This means that if there is a major change in the grading parameter a cyclical switching between the two Operating modes of the combustion chamber (i.e. between pilot operation, in which only the pilot burners are supplied with fuel, and the staged operation, in which the main burner Received fuel) prevented. After pumping - that is as soon as the flag returns to "0" - the value for the grading point again according to those described here (Regular) rules for staged combustion chamber operation calculated. The advantage of this method is besides the negation Cyclical switching also means that the current fuel split during the brief pumping of the compressor without changing the operating mode still from a map is calculated. This ensures that the Pilot fuel mass fraction according to the air-fuel ratio is determined and a sufficiently high stability reserve against flame extinction is retained.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird auf einen Grenz-Ersatzwert für den Splitwert zurückgegriffen, wenn der berechnete und danach zeitlich differenzierte Splitwert einen Grenz-Differenzenwert überschreitet. Hierdurch können eventuell auftretende Störungen in der Regelgröße bspw. während schnellster Lastwechsel oder unerwarteter Betriebsstörungen durch eine Limitierung der Öffnungs- beziehungsweise Schliessungsrate der Stufungs-Ventileinheit abgefangen werden. Diesbezüglich wird bereits an dieser Stelle auf die beigefügte, später noch kurz erläuterte Figur 4 verwiesen. Dazu wird die zeitliche Ableitung des berechneten Splitwertes über einen Zeitschritt gebildet und mit Hilfe eines Limiters begrenzt. Dieser Limiter ist nur aktiv, wenn der kommandierte beziehungsweise ermittelte Splitwert unterhalb eines definierten Grenzwertes fällt, der im gestuften Modus die maximal zulässige Brennstoff-Aufteilung auf die Pilotbrenner sowie auf die Hauptbrenner berücksichtigt. Die aktuelle Änderungsrate der Position der Stufungs-Ventileinheit wird mit der maximal erlaubten Änderungsrate beaufschlagt, solange der vordefinierte Grenzwert erreicht ist.In a preferred development of the invention, a Limit substitute value for the split value is used if the calculated and then time-differentiated split value one Limit difference value exceeds. This can possibly occurring disturbances in the controlled variable e.g. during fastest load change or unexpected malfunctions by limiting the opening or Closing rate of the grading valve unit can be intercepted. In this regard, the attached, Figure 4 briefly explained later. For this, the Derivation of the calculated split value over time Time step formed and limited with the help of a limiter. This limiter is only active if the commanded or determined split value below a defined limit falls, the maximum permissible in tiered mode Fuel distribution between the pilot burners and the main burners considered. The current rate of change of the position the step valve unit is with the maximum allowed Rate of change is applied as long as the predefined limit is reached.

Weiterhin wird vorgeschlagen, während eines Stufungsvorganges beziehungsweise eines Überganges vom Pilotbetrieb (das heißt nur die Pilotbrenner werden mit Brennstoff versorgt) in den gestuften Betrieb (das heißt die Pilotbrenner und die Hauptbrenner werden mit Brennstoff versorgt) eine Änderung hinsichtlich der Entnahme von Zapfluft aus dem Triebwerk zu unterdrücken. Hierdurch kann eine zusätzliche Variation des Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden werden. Nachdem anschließend im gestuften Operationsmodus ein Maximalwert für den Splitwert unterschritten wird, erfolgt dann minimal verzögert die gewünschte Zapfluftentnahme im gestuften Betrieb. It is also proposed during a grading process or a transition from pilot operation (that is only the pilot burners are supplied with fuel) in the tiered Operation (i.e. the pilot burner and the main burner are fueled) a change in terms suppress bleeding air from the engine. This allows an additional variation of the fuel-air mixture be avoided. Afterwards in the tiered Operation mode fell below a maximum value for the split value then the desired delay takes place with a minimal delay Bleed air extraction in staged operation.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn eine so genannte Stufungs-Vorwegnahme-Logik, die bei sich abzeichnender Zuschaltung der Hauptbrenner ein kurzzeitiges Befüllen der Hauptbrenner mit Brennstoff hervorruft. Dies geschieht mit dem Ziel, das Auftreten von Schubverlusten und Brennkammer-Instabilitäten im Verlaufe eines Stufungsvorganges (das heißt wenn zusätzlich zu den zuvor alleinig betriebenen Pilotbrennern nun auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden sollen) zu verhindern. Im Falle eines derartigen transienten Triebwerksmanövers kann es nämlich aufgrund des Auffüllvorgangs. des wenn auch kleinen Totvolumens der Hauptbrennerdüsen kurzzeitig zu einem Absinken des der Brennkammer zugeführten Gesamt-Brennstoffmassenstromes kommen. Dies kann nun durch eine so genannte Stufungs-Vorwegnahme-Logik verhindert werden, die während des Stufungsvorganges ein im Brennstoffsystem vorgesehenes Druckregelventil (Zumessventil des Gesamt-Brennstoffmassenstromes) kurzzeitig weiter öffnet, um einerseits den Brennstoffdruck in den Pilotbrennern und damit den Brennstoffdurchsatz durch die Pilotbrenner aufrechtzuerhalten als auch die Totvolumina in den Hauptbrennern schneller aufzufüllen. Sowohl der Zeitraum der Positionsänderung des Ventils als auch der Betrag der Positionsänderung werden in Abhängigkeit von Parametern bestimmt, die den stationären Betriebszustand und die Änderung dieses Betriebszustandes berücksichtigen. Gleichzeitig erfolgt dadurch während der Stufung auch eine gewisse Anreicherung des gesamten Brennstoff-Luftverhältnisses in der Brennkammer, die notwendig ist, um die durch einen gewissen Zündverzug in der Hauptstufe der Brennkammer verzögert stattfindende Umsetzung des Brennstoffs in Wärme zu kompensieren. Daneben bestehen jedoch auch andere Möglichkeiten, bei einem sich abzeichnenden Stufungsvorgang kurzzeitig einen vergrößerten Brennstoffmassenstrom zur Verfügung zu stellen, um hiermit die Hauptbrenner vollständig zu befüllen und somit einen andernfalls möglicherweise kurzzeitig auftretenenden Schubverlust zu verhindern. Finally, it is advantageous if a so-called step anticipation logic, the looming connection of the Main burner a short filling of the main burner with Fuel. This is done with the aim of Occurrence of thrust losses and combustion chamber instabilities in the Course of a grading process (that is, if in addition to the pilot burners previously operated exclusively now also the Main burner to be supplied with fuel) prevent. In the case of such a transient Engine maneuvers can occur because of the filling process. of the small dead volume of the main burner nozzles briefly to a decrease in the fed to the combustion chamber Total fuel mass flow come. This can now be done through a so-called staging anticipation logic can be prevented during the grading process in the fuel system provided pressure control valve (metering valve of the total fuel mass flow) opens briefly to on the one hand the fuel pressure in the pilot burners and thus the fuel throughput through the pilot burner maintain as well as the dead volumes in the Refill main burners faster. Both the period of Change in position of the valve as well as the amount of Position changes are dependent on parameters which determines the steady state and the change take this operating state into account. At the same time thereby also a certain enrichment of the total fuel-air ratio in the combustion chamber, the is necessary due to a certain ignition delay in the Main stage of the combustion chamber is delayed implementation to compensate for the fuel in heat. Beside exist however, there are other options in a looming one Grading process briefly an enlarged To provide fuel mass flow to hereby the Main burner to fill completely and thus one otherwise it may occur for a short time To prevent thrust loss.

Als Abfragebedingung für diese vorgeschlagene Funktion wird jeder mögliche Parameter beansprucht, der im Zusammenhang mit der implementierten Grundformel beziehungsweise den grundsätzlichen Regelgesetzen zum Stufungsvorgang steht sowie jede beliebige Kombination der Parameter untereinander, als auch die Möglichkeit einer Erweiterung der Abfragebedingung durch weitere Tabellen, die auf diesem Parameter basieren. Grundsätzlich muss hierfür die genannte Abfragebedingung lediglich auf geeigneten Tabellen basieren, die den zu erwarteten Verlust oder Überschuss des Gesamt-Brennstoffmassenstromes berücksichtigen.As a query condition for this proposed function claimed every possible parameter related to the implemented basic formula or basic rules regarding the grading process stands as well any combination of parameters with each other, as also the possibility of expanding the query condition through additional tables based on this parameter. Basically, this requires the specified query condition based only on appropriate tables that correspond to the expected loss or excess of the total fuel mass flow consider.

Wie in Fig. 5 dargestellt, gibt somit der Splitwert (S) den aktuellen Wert der Aufteilung der Massenströme des Brennstoffs zu der Pilotstufe beziehungsweise der Hauptstufe der Brennkammer vor. Der Stufungspunkt (SPK) gibt eine Aussage, in welchem Modus sich das Brennstoffeinspritzsystem jeweils befindet, er gibt somit eine Zustandsanzeige ab. Mit ABS ist in Fig. 5 ein Absolutwert des Stufungspunktes bezeichnet, welcher stets positiv ist. Der nachgeschaltete Vergleicher, in welchen auch der Grenzwert eingeht, erzeugt daraufhin einen SPK-Stufungspunkt-Wert von 0 oder 1.As shown in Fig. 5, the split value (S) gives the current one Value of the distribution of the mass flows of the fuel the pilot stage or the main stage of the combustion chamber in front. The grading point (SPK) gives a statement in which mode the fuel injection system is located, he thus gives a status display. With ABS is in Fig. 5 Absolute value of the grading point, which is always positive is. The downstream comparator, in which also the Limit value is received, then generates an SPK rating point value from 0 or 1.

Weiterhin zeigt die Fig. 5, dass in das Kennfeld zur Steuerung des TIMERS die Ableitung der Hochdruckwellendrehzahl nach der Zeit eingeht. Wie in der Beschreibung vorstehend bereits erläutert, umfasst das Auswahlelement zwei Zustände, nämlich "T" für "true" und "F" für "falsch". In dem Zustand "T" wird, da der Wert SPK* = 1 ist, der historische Wert von BZ (Betriebszustand), das heißt der Wert aus dem letzten Zeitschritt Z^-1 verwendet. In der Legende der Fig. 5 wird mit SPK das Kommando für den Stufungspunkt bezeichnet, während SPK* das zeitverzögerte Kommando für den Stufungspunkt bedeutet. Mit dem Zustand 0 wird ein ungestufter Betriebszustand der Brennkammer bezeichnet, bei dem die Pilotstufe an-, die Hauptstufe jedoch ausgeschaltet ist. Mit 1 wird ein Betriebszustand bezeichnet, bei welchem s_owohl die Pilotstufe als auch die Hauptstufe angeschaltet sind.5 also shows that the derivation of the high-pressure shaft speed according to time is included in the map for controlling the TIMER. As already explained in the description above, the selection element comprises two states, namely "T" for "true" and "F" for "false". In the state "T", since the value SPK * = 1, the historical value of BZ (operating state), that is to say the value from the last time step Z ^{-1, is} used. In the legend of FIG. 5, SPK denotes the command for the grading point, while SPK * means the time-delayed command for the grading point. State 0 denotes an unstaged operating state of the combustion chamber in which the pilot stage is on but the main stage is switched off. 1, an operating state will be referred to, wherein s _o probably the pilot stage and the main stage are turned on as well.

In diesem Zusammenhang sei noch eine Methode zur Vorauffüllung der zu den Hauptbrennern führenden Brennstoffleitungen beschrieben, die beim Anlassen des Triebwerks bevorzugt angewendet werden kann. Üblicherweise wird nämlich eine so genannte Brennstoffringleitung, die zu den Hauptbrennern führt, bei jedem Abschalten des Triebwerks passiv, das heißt mit Luft, gespült und der darin befindliche Brennstoff in einen Spültank entleert. Beim Betrieb des Triebwerks ist es jedoch erforderlich, dass die Brennstoffringleitung zu den Hauptbrennerdüsen vollständig aufgefüllt ist, wenn vom ungestuften Pilotbetrieb zum gestuften Betrieb beziehungsweise Operationsmodus übergegangen werden soll. Dies ist eine Voraussetzung für den sicheren und stabilen Betrieb des Triebwerks über dessen gesamten Leistungsbereich. Daher ist eine besondere Maßnahme erforderlich, die sicherstellt, dass beim Anlassen des Triebwerks die Brennstoffringleitung zu den Hauptbrennern parallel mit dem Auffüllen der zu den Pilotbrennern führenden Brennstoffringleitung aufgefüllt wird. Hierfür wird die folgende Methode vorgeschlagen:In this context, there is still a method of pre-filling the fuel lines leading to the main burners, which is preferred when starting the engine can be. Usually a so-called Fuel ring line leading to the main burners each time the engine is switched off passively, i.e. with air, flushed and the fuel in it in a flushing tank emptied. However, when the engine is operating it is required that the fuel ring line to the Main burner nozzle is completely filled when from unstaged pilot operation to staged operation respectively Operation mode should be switched. this is a Prerequisite for the safe and stable operation of the Engine across its entire performance range. thats why a special measure is required to ensure that when starting the engine, connect the fuel ring line to the Main burners in parallel with the filling of the to Pilot burner leading fuel ring line is filled. The following method is proposed for this:

Vor jedem Anlassen des Triebwerks ist die Hauptbrenner-Ringleitung von Brennstoff leergespült. Wenn das Triebwerk angelassen wird (hierbei kann es sich um Bodenstarts und um Starts im Flug handeln), erfolgt zunächst ein über einen möglichst kurzen Zeitraum stattfindendes Auffüllen des gesamten Brennstoffleitungsvolumens zwischen der Brennstoffzumesseinheit beziehungsweise Steuer-Ventileinheit und den Einspritzdüsen der Pilotbrenner sowie der Hauptbrenner. Der schnelle Auffüllvorgang hält den Einspritzverzug in die Brennkammer und damit den dort stattfindenen Zündverzug so gering wie möglich. Hierfür ist eine zusätzliche Logik im elektronischen Triebwerksregler implementiert. Demzufolge werden zunächst mit einem erhöhten Brennstoffmassenstrom, der mehrfach oberhalb des Zünd-Brennstoffmassenstromes liegt, sämtliche Brennstoff-Ringleitungen aufgefüllt. Damit dieser Brennstoff auch in die zu den Hauptbrennern führenden Leitungen gelangen kann, wird die genannte Stufungs-Ventileinheit vorübergehend von der nur die Pilotbrenner beaufschlagenden Position in eine halb offene Position gefahren, in der auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden. Dadurch werden parallel zu den Pilotleitungen auch die zu den Hauptbrennern führenden Brennstoffleitungen aufgefüllt. Die entsprechende Öffnungszeit und die Öffnungsposition der Stufungs-Ventileinheit sind dabei geeignet vorbestimmt. Der Vorteil dieser Methode ist, dass auf die Überwachung des Füllzustandes der Leitung in/zu den Hauptbrennern verzichtet werden kann.The main burner ring line is always before starting the engine flushed out of fuel. If the engine is started (this can be ground starts and Trade starts in flight), first takes place via a filling of the whole taking place as short as possible Fuel line volume between the fuel metering unit or control valve unit and the injectors of the Pilot burner as well as the main burner. The fast one Filling process keeps the injection delay in the combustion chamber and thus the ignition delay taking place there as low as possible. For this there is an additional logic in the electronic Engine controller implemented. Accordingly, first of all an increased fuel mass flow that is several times above the Ignition fuel mass flow is, all fuel ring lines refilled. So that this fuel also in the to the lines leading to the main burners the mentioned step valve unit temporarily from the only the pilot burner in a semi-open position Position driven in which the main burner with fuel be supplied. This will be parallel to the pilot lines also the fuel lines leading to the main burners refilled. The corresponding opening time and the The opening position of the step valve unit is suitable predetermined. The advantage of this method is that on the Monitoring the filling level of the line in / to the Main burners can be dispensed with.

Um dabei sicherzustellen, dass die Hauptbrenner-Brennstoffleitungen vollständig gefüllt werden, ist der Brennstoffdruck in diesen Leitungen durch geeignete Positionierung der Stufungs-Ventileinheit selbstverständlich so groß zu halten, dass die Rückschlagventile in den Hauptbrenner-Einspritzdüsen kurzzeitig aufgedrückt werden und sowohl das sich bildende Luftpolster als auch eine geringe Brennstoffmenge in die Brennkammer hineingedrückt werden. Diese geringe Brennstoffmenge verbrennt danach in der Brennkammer zusammen mit dem gleichzeitig durch die Pilotbrenner eingespritzten Zünd-Brennstoffmassenstrom. Die Hauptbrenner-Einspritzdüsen werden anschließend durch das passive Spülsystem wieder von Brennstoff freigespült, wodurch ein Verkoken der Hauptbrenner verhindert wird. Anschließend werden die Stufungs-Ventileinheit geschlossen (das heißt nur die Pilotbrenner sind zugeschaltet) und gleichzeitig der Brennstoffmassenstrom von der Brennstoffzumesseinheit beziehungsweise Steuer-Ventileinheit auf das Niveau des für die Zündung erforderlichen Zünd-Brennstoffmassenstroms reduziert. Die weitere Regelung der Brennstoffzufuhr bis zur Zündung und Beschleunigung wird wie bei einem Triebwerk mit einem konventionellen- System gehandhabt. To ensure that the main burner fuel lines to be filled completely is the fuel pressure in these lines by appropriate positioning of the Of course, to keep the staged valve unit so large that the check valves in the main burner injectors be pressed briefly and both the forming Air cushion as well as a small amount of fuel in the Combustion chamber to be pushed in. This minor The amount of fuel then burns together in the combustion chamber with the one injected simultaneously by the pilot burner Ignition fuel mass flow. The main burner injectors are then re-activated by the passive flushing system Fuel flushed out, causing the main burner to coke is prevented. Then the step valve unit closed (i.e. only the pilot burners are switched on) and at the same time the fuel mass flow from the Fuel metering unit or control valve unit to the level of the ignition fuel mass flow required for the ignition reduced. The further regulation of Fuel supply until ignition and acceleration will be like for an engine with a conventional system handled.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer gestuften Brennkammer eines Fluggasturbinen-Triebwerks,

Fig. 2

eine schematische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Triebwerkreglers,

Fig. 3

ein Teil-Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Triebwerkreglers,

Fig. 4

ein weiteres Teil-Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Triebwerkreglers, und

Fig. 5

ein Prinzipschaltbild zur Umsetzung in einer digitalen elektronischen Steuereinheit bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems.

The invention is described below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawing. It shows:

Fig. 1

1 shows a schematic representation of a stepped combustion chamber of an aircraft gas turbine engine,

Fig. 2

2 shows a schematic partial view of an engine regulator according to the invention,

Fig. 3

a partial schematic diagram of the engine controller according to the invention,

Fig. 4

another partial block diagram of the engine controller according to the invention, and

Fig. 5

a schematic diagram for implementation in a digital electronic control unit in a preferred embodiment of the fuel injection system according to the invention.

In Figur 1, in welcher ein üblicher Teil-Schnitt durch eine gestufte Ring-Brennkammer eines Fluggasturbinen-Triebwerks dargestellt ist, ist mit der Bezugsziffer 1 die Brennkammer und mit der Bezugsziffer 2 der Austritt aus dieser Brennkammer 1 bezeichnet. In die Brennkammer 1 gelangt gemäß den dargestellten Pfeilen ein von einem vorgeschalteten Kompressor geförderter und dabei verdichteter Gasstrom beziehungsweise Luftstrom hinein, der den benötigten Sauerstoff mitführt, um den über den (beziehungsweise die mehrfach vorhandenen ringförmig angeordneten) Pilotbrenner 3 sowie ggf. über den (beziehungsweise die mehrfach vorhandenen ringförmig angeordneten) Hauptbrenner 4 in die Brennkammer 1 eingebrachten Brennstoff (dieser ist punktiert dargestellt) in der Brennkammer 1 zu verbrennen. Die Verbrennungs-Abgase gelangen dann durch den Brennkammer-Austritt 2 gemäß Pfeil zunächst in die Turbine des Triebwerks. In Figure 1, in which a usual partial section through a stepped Ring combustion chamber of an aircraft gas turbine engine shown is with the reference number 1 the combustion chamber and with the reference number 2 denotes the exit from this combustion chamber 1. The combustion chamber 1 reaches according to the illustrated Arrows a pumped by an upstream compressor and compressed gas flow or air flow into it, which carries the required oxygen to the over the (or the multiple rings) Pilot burner 3 and possibly over the (or the multiple existing ring-shaped) main burner 4 in the combustion chamber 1 introduced fuel (this is punctured shown) to burn in the combustion chamber 1. The combustion exhaust gases then pass through the combustion chamber outlet 2 According to the arrow, first into the turbine of the engine.

Die Brennkammer 1 ist räumlich unterteilt in eine Pilotzone 1a, die sich direkt stromab der Pilotbrenner 3 befindet, sowie in eine sich in Strömungsrichtung der Gase daran anschließende Hauptzone 1b, in die die Hauptbrenner 4 den Brennstoff abgeben. Letzteres, das heißt eine Brennstoffzufuhr in die Hauptzone 1b der Brennkammer 1 über die Hauptbrenner 4 geschieht jedoch nur in solchen Betriebspunkten des Triebwerks, in denen eine höhere Leistungsentfaltung beziehungsweise Leistungsabgabe gefordert wird. Ständig hingegen gelangt über die Pilotbrenner 3 Brennstoff in die Brennkammer 1. In Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt des Fluggasturbinen-Triebwerks gelangen somit zwischen 10% und 100% des gesamten zugeführten Brennstoffmassenstromes über die Pilotbrenner 3 in die Brennkammer 1, während demzufolge über die Hauptbrenner 4 bei hoher Triebwerksleistung 90% und bei niedriger Triebwerksleistung 0% des Gesamt-Brennstoffmassenstromes in die Brennkammer 1 eingeleitet werden.The combustion chamber 1 is spatially divided into a pilot zone 1a, which is located directly downstream of the pilot burner 3, and in one adjoining it in the direction of flow of the gases Main zone 1b, into which the main burners 4 discharge the fuel. The latter, that is, a fuel supply to the main zone 1b the combustion chamber 1 via the main burner 4, however, only happens in those operating points of the engine in which a higher Performance development or performance submission required becomes. On the other hand, 3 fuel is constantly passed through the pilot burner into the combustion chamber 1. Depending on the respective operating point of the aircraft gas turbine engine thus pass between 10% and 100% of the total fuel mass flow supplied via the pilot burner 3 into the combustion chamber 1 while consequently via the main burner 4 at high engine output 90% and with low engine power 0% of the total fuel mass flow be introduced into the combustion chamber 1.

In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzsystem, mit welchem die Pilotbrenner 3 sowie die Hauptbrenner 4 mit Brennstoff versorgt werden, schematisch und dabei stark vereinfacht dargestellt. Der Pfeil WF verdeutlicht dabei den Gesamt-Brennstoffmassenstrom, der über eine Steuer-Ventileinheit 6 dosiert und damit an einen bestimmten Betriebspunkt des Triebwerks angepasst in die Brennkammer 1 eingeleitet wird. Eine so genannte Stufungs-Ventileinheit 7 stellt dabei ein, welcher An-. teil dieses Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF gemäß Pfeil 3' den Pilotbrennern 3 und welcher (damit komplementär zusammenhängende) Anteil dieses Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF gemäß Pfeil 4' den Hauptbrennern 4 zugeführt wird.FIG. 2 shows a fuel injection system according to the invention, with which the pilot burner 3 and the main burner 4 with Fuel are supplied, schematically and greatly simplified shown. The arrow WF shows the total fuel mass flow, dosed via a control valve unit 6 and thus to a certain operating point of the engine adapted is introduced into the combustion chamber 1. Such a thing called step valve unit 7 sets which on. part of this total fuel mass flow WF according to arrow 3 ' the pilot burners 3 and which ones (which are complementarily related) Share of this total fuel mass flow WF according to Arrow 4 'is fed to the main burners 4.

Mit der Bezugsziffer 8 ist der (elektronische) Triebwerksregler bezeichnet, der üblicherweise mehrere Regelblöcke enthält. Hier ist nun ein erster Regelblock 8a dargestellt, der die Steuer-Ventileinheit 6 betätigt beziehungsweise geeignet positioniert oder einstellt, und der hierfür geeignete (übliche) Triebwerkregelgesetze enthält beziehungsweise berücksichtigt. Ferner ist ein zweiter Regelblock 8b-dargestellt, der die Stufungs-Ventileinheit 7 kontrolliert und demzufolge Regelgesetze für die gestufte Verbrennung enthält beziehungsweise berücksichtigt. Dieser Regelblock 8b bestimmt somit den so genannten Splitwert S, der die Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassen-stromes WF auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbrenner 4 kennzeichnet und stellt die Stufungs-Ventileinheit 7 dementsprechend ein.With the reference number 8 is the (electronic) engine controller referred to, which usually contains several rule blocks. Here a first control block 8a is now shown, which is the control valve unit 6 operated or positioned appropriately or sets, and the appropriate (usual) engine control laws contains or takes into account. Furthermore is a second control block 8b-shown, the staging valve unit 7 controls and therefore rules for the tiered Combustion contains or takes into account. This Control block 8b thus determines the so-called split value S, the distribution of the total fuel mass flow WF identifies the pilot burner 3 and the main burner 4 and adjusts the step valve unit 7 accordingly.

Figur 3 zeigt schematisch und stark vereinfacht die Berechnung der Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF auf die Pilotbrenner 3 (Brennstoffstrom 3' in Fig. 2) und die Hauptbrenner 4 (Brennstoffstrom 4' in Fig. 2), wobei diese Aufteilung durch einen so genannten Splitwert S beschrieben wird. Wie weiter oben ausführlich erläutert wurde, wird hierbei auf die bekannten Größen

WF =

Gesamt-Brennstoffmassenstrom,

P30 =

Gasdruck am Brennkammer-Eintritt,

T30 =

Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt, oder

T44 =

Total-Temperatur stromab der Triebwerks-Hochdruckturbine

   gegebenenfalls auch auf

T20 =

Gastemperatur am Triebwerks-Eintritt

zurückgegriffen. Hieraus ergibt sich nach obigen Erläuterungen der so genannte Stufungsparameter SP.FIG. 3 shows schematically and in a highly simplified manner the calculation of the distribution of the total fuel mass flow WF between the pilot burners 3 (fuel flow 3 'in FIG. 2) and the main burners 4 (fuel flow 4' in FIG. 2), this division being carried out by a so-called Split value S is described. As has been explained in detail above, this refers to the known sizes

WF =

Total fuel mass flow,

P30 =

Gas pressure at the combustion chamber inlet,

T30 =

Gas temperature at the combustion chamber inlet, or

T44 =

Total temperature downstream of the engine high pressure turbine

if necessary also on

T20 =

Gas temperature at the engine inlet

resorted. According to the above explanations, this results in the so-called grading parameter SP.

Ferner kann noch die zeitliche Änderung der Drehzahl der Hochdruckwelle des Triebwerks, das heißt der Quotient (dNH / dt)_Ref berücksichtigt werden, wie dies unten in Verbindung mit Anspruch 3 erläutert wird.Furthermore, the temporal change in the speed of the high-pressure shaft of the engine, that is to say the quotient (dNH / dt) _Ref , can also be taken into account, as will be explained below in connection with claim 3.

Über Kennfelder 5 ergibt sich hiermit ein Splitwert S', der zunächst noch über ein an sich übliches Low-Win-Glied 9a sowie ein High-Win-Glied 9b geführt wird, woraus sich ein nominaler Splitwert S* ergibt. Das Low-Win-Glied 9a berücksichtigt dabei einen maximalen Splitwert MAX (dieser entspricht 100% Brennstoffanteil für die Pilotbrenner 3), während das High-Win-Glied 9b einen minimalem Splitwert MIN berücksichtigt, der zwischen 10% und 40% Brennstoffanteil für die Pilotbrenner 3 liegen kann. Auch diesbezüglich wird auf die Erläuterungen zu Patentanspruch 3 verwiesen.This results in a split value S ′ via maps 5, which initially still a conventional low-win link 9a and a high-win link 9b is performed, resulting in a nominal Split value S * results. The low-win link 9a takes into account here a maximum split value MAX (this corresponds to 100% fuel content for the pilot burner 3) while the high-win link 9b takes into account a minimum split value MIN which is between 10% and 40% fuel share for the pilot burner 3 are can. In this regard too, the explanations of the patent claim 3 referenced.

In Figur 4 ist eine bevorzugte Art der Limitierung der Brennstoffaufteilung auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbrenner 4 dargestellt. Diesbezüglich wird auf die Erläuterungen zu Patentanspruch 5 verwiesen. Ein (zeitliches) Differenzierglied für den nominalen Splitwert S* trägt die Bezugsziffer 10 und der im obigen Beschreibungsabschnitt zu Anspruch 5 genannte Limiter die Bezugsziffer 11. Der Grenzwert, der für diese Abfrage ggf. berücksichtigt wird, ist als Eingangsgröße mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet und kann bspw. 50% betragen. Bei einer Stufung vom Pilotbetrieb in den so genannten Dualbetrieb - ( in diesem werden die Pilotbrenner und die Hauptbrenner betrieben ) - durchläuft der kommandierte Splitwert den Bereich zwischen 100% und 40%. Erst ab einem Pilotbrennstoffanteil unterhalb von 50% erfolgt die Limitierung der Brennstoff-Aufteilung auf die Pilotbrenner. Dies bedeutet, dass der Anteil 4' am Gesamt-Brennstoffmassenstrom WF, der über die Hauptbrenner 4 in die Brennkammer 1 gelangen kann, im Bereich zwischen 0% und 50% liegen kann.FIG. 4 shows a preferred way of limiting the fuel distribution on the pilot burner 3 and on the main burner 4 shown. In this regard, refer to the explanations Claim 5 referenced. A (temporal) differentiator for the nominal split value S *, reference numerals 10 and the limiter mentioned in the above description section for claim 5 the reference number 11. The limit value for this query if necessary, is taken as the input variable with the reference number Denoted 12 and can be, for example, 50%. At a Grading from pilot operation to so-called dual operation - (in the pilot burners and the main burners are operated) - the commanded split value runs through the range between 100% and 40%. Only from a pilot fuel content below The fuel distribution is limited to 50% Pilot burner. This means that the share 4 'in the total fuel mass flow WF, which over the main burner 4 in the Combustion chamber 1 can reach between 0% and 50% can lie.

Figur 5 schließlich zeigt ein Schemata zur bevorzugten Bereichnung des Operationsmodus der Brennkammer 1, das heißt ob diese im Pilotbetrieb oder im gestuften Betrieb gefahren wird. Die Ausgangsgröße dieses Schematas ist eine digitale Ja/Nein-Größe, die angibt, ob die Hauptbrenner 4 mit Brennstoff versorgt werden oder nicht.Finally, FIG. 5 shows a diagram for the preferred range the operating mode of the combustion chamber 1, that is, whether this is operated in pilot operation or in staged operation. The The output of this scheme is a digital yes / no variable, which indicates whether the main burners 4 are supplied with fuel or not.

Neben dem berechneten Splitwert S* (nomineller Stufungspunkt), sowie dem aktuellen Splitwert "Actual" gehen dabei in diese Festlegung beziehungsweise Berechnung des Stufungspunktes wie ersichtlich additiv mehrere Korrekturglieder ΔSP ein, so wie dies ebenfalls bereits ausführlich erläutert wurde. Diese einzelnen Korrekturglieder, die zu ΔSP aufsummiert werden, berücksichtigen dabei - wie bereits erläutert wurde - über geeignete Kennfelder 5 mehrere Einflussparameter. Die Berücksichtigung der Lastwechselgeschwindigkeit ist dabei auch mit "Transient" und diejenige der Flughöhe auch mit "Altitude" bezeichnet. Die ein Umschalten vom ungestuften Pilotbetrieb in den gestuften Operationsmodus unterhalb des Leerlaufbetriebszustandes des Triebwerkes verhindernde Funktion ist auch mit "Idle" bezeichnet, und diejenige Funktion, die einen Absolutwert für den Gasdruckes (P30) und/oder die Gastemperatur (T30) am Brennkammer-Eintritt berücksichtigt, um einen stabilen Betrieb der Brennkammer sicherzustellen, ist auch mit "Stability" bezeichnet.In addition to the calculated split value S * (nominal grading point), and the current split value "Actual" go into this Definition or calculation of the grading point such as can be seen additively several correction elements ΔSP, such as this has also already been explained in detail. This individual Consider correction terms that are added up to ΔSP thereby - as already explained - about suitable Maps 5 several influencing parameters. The consideration the load change speed is also with "transient" and that of the flight altitude also referred to as "altitude". The one switch from the unrated pilot operation to the tiered operation mode below the idle mode the engine preventing function is also with "Idle" denotes, and the function that has an absolute value for gas pressure (P30) and / or gas temperature (T30) considered at the combustion chamber inlet to ensure a stable Ensuring operation of the combustion chamber is also included Denoted "Stability".

Mit den soweit beschriebenen Merkmalen ergibt sich ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer insbesondere eines Fluggasturbinen-Triebwerks, mit der ein im Wesentlichen optimaler Betrieb dieser Brennkammer 1 ermöglicht wird. Möglich ist insbesondere eine schadstoffoptimierte kennfeldgestützte Regelung der gestuften Verbrennung im quasi-stationären Betrieb. Die im Regelblock 8b des Triebwerksreglers 8 implementierbaren und weiter oben beschriebenen Regelgesetze für die gestufte Verbrennung erlauben einen Betrieb einer beziehungsweise der gestuften Brennkammer 1 im ungestuften Pilotbetrieb und im gestuften Modus ohne signifikantem Einfluss auf die Sicherheit, Stabilität und das Schubvermögen des gesamten Triebwerkes während eines Stufungsvorganges, worunter ein Umschaltvorgang zwischen den beiden Operationsmodi verstanden wird. Insbesondere wird ein nahezu schubverlustfreier Übergang vom Betriebszustand mit alleiniger Beaufschlagung der Pilotbrenner 3 in den gestuften Betrieb, in dem neben den Pilotbrennern 3 auch den Hauptbrennern 4 Brennstoff zugemessen wird, gewährleistet. Der so genannte Stufungsvorgang beansprucht dabei vorteilhafterweise nicht die vorhandene Stabilitätsreserve des Verdichters.With the features described so far, a fuel injection system results for a stepped combustion chamber in particular of an aircraft gas turbine engine, with which an essentially optimal operation of this combustion chamber 1 is made possible. Possible is in particular a map-based, optimized for pollutants Regulation of staged combustion in quasi-stationary Business. The control block 8b of the engine controller 8 implementable and previously described rules for the staged combustion allow operation of one or the tiered combustion chamber 1 in the tiered Pilot operation and in tiered mode without significant influence on the safety, stability and thrust of the entire engine during a staging process, including a switching process between the two operating modes is understood. In particular, it is almost shear loss-free transition from the operating state with sole Actuation of the pilot burner 3 in the staged operation, in in addition to the pilot burners 3 and also the main burners 4 Fuel is guaranteed. The so-called The grading process advantageously does not claim that existing stability reserve of the compressor.

Die stufenlos einstellbare Stufungs-Ventileinheit 7 stellt sicher, dass sowohl das Emissionsniveau der Brennkammer insbesondere bezüglich NO_x als auch das Temperaturprofil am der Brennkammer 1 nachgeschalteten Turbineneintritt über dem gesamten Betriebsbereich des Triebwerks optimiert ist. Die gewählte Methode der Einstellung des Brennstoffsplits, das heißt des Splitwerts S, auf die Pilotbrenner 3 und die Hauptbrenner 4 ermöglicht damit eine flexible Aufteilung des Brennstoffs entsprechend den aktuellen Anforderungen an das Regelsystem im jeweiligen Betriebszustand. Damit erlaubt diese Methode neben einer optimalen Einstellung der Brennstoffaufteilung zur Minimierung der Schadstoffemissionen auch eine Optimierung des Betriebsverhaltens der Brennkammer hinsichtlich Verbrennungsstabilität, Ausbrandverhalten und des Temperaturaustrittsprofils über dem gesamten Lastbereich des Triebwerks.The continuously adjustable staging valve unit 7 ensures that both the emission level of the combustion chamber, in particular with respect to NO _x, and the temperature profile at the turbine inlet downstream of the combustion chamber 1 are optimized over the entire operating range of the engine. The selected method of setting the fuel split, that is to say the split value S, between the pilot burners 3 and the main burners 4 thus enables flexible distribution of the fuel in accordance with the current requirements for the control system in the respective operating state. In addition to an optimal setting of the fuel distribution to minimize pollutant emissions, this method also allows the combustion chamber's operating behavior to be optimized with regard to combustion stability, burnout behavior and the temperature exit profile over the entire load range of the engine.

Wie beschrieben erfolgt bevorzugt ein getrenntes Erfassen der wesentlichen Einflussfaktoren, wie z.B. Flughöhe, transiente Betriebsmanöver auf den Stufungspunkt sowie die korrekte Einstellung der Brennstoffaufteilung auf beide Brennstoffkreise im gestuften Modus. Alle wesentlichen Einflüsse auf die Stufungscharakteristik werden über einfache Kennfelder erfasst und deren Einfluss additiv sowohl auf den Stufungspunkt als auch auf den Brennstoffsplit, das heißt auf den Splitwert S, berücksichtigt. Damit wird sowohl eine Optimierung der Verbrennung in den beiden Brennkammerzonen, nämlich der Pilotzone 1a und der Hauptzone 1b, als auch die Einhaltung der Stabilität der Verbrennung gewährleistet.As described, a separate detection of the significant influencing factors, e.g. Flight altitude, transient Operating maneuvers on the grade point as well as the correct one Setting the fuel distribution to both fuel circuits in tiered mode. All major influences on the Grading characteristics are recorded using simple maps and their influence additively both on the grade point and also on the fuel split, i.e. on the split value S, considered. This will optimize both Combustion in the two combustion chamber zones, namely the Pilot zone 1a and the main zone 1b, as well as compliance with the Guaranteed combustion stability.

Generell ergibt sich eine verbesserte Regelqualität aufgrund der Verwendung von gut messbaren Triebwerks-Parametern, wie WF, P30, T30 u.a. Eine Synthetisierung von Triebwerks-Parametern wird hierdurch vermieden. Auch kann bei Implementierung der so genannten Stufungs-Vorwegnahme-Logik während eines Stufungsvorganges eine signifikante Verminderung des Triebwerk-Schubes verhindert werden. Auch die beschriebene Berücksichtigung eines Anlassvorganges ist in einem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystem äußerst vorteilhaft. Schließlich ist die Software zur Regelung des Stufungsprozesses einfach in einen vorhandenen Triebwerksregler integrierbar, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass selbstverständlich eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.Generally there is an improved control quality due to the use of easily measurable engine parameters, such as WF, P30, T30 and others A synthesis of engine parameters is avoided. Also when implementing the so called step anticipation logic during a Staging process a significant reduction in engine thrust be prevented. Also the consideration described a starting process is in an inventive Fuel injection system extremely beneficial. Finally is the software for regulating the grading process simply in an existing engine controller can be integrated, although still it should be noted that of course a variety be deviated from details deviating from the above explanations can without leaving the content of the claims.

Zusammenfassend ist Folgendes festzustellen:In summary, the following can be stated:

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer 1 eines Fluggasturbinen-Triebwerks, deren Pilotbrenner 3 stets mit einer gewissen Brennstoffmenge versorgt wird/werden, während deren Hauptbrenner(n) 4 nur bei höherer Triebwerksleistung Brennstoff zugemessen wird, wobei stromab einer die gesamte Brennstoffmenge bestimmenden Steuer-Ventileinheit 6 eine diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbrenner 4 veränderbar aufteilende Stufungs-Ventileinheit 7 vorgesehen ist, die beide von einem Triebwerksregler 8 angesteuert werden, der für die Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit 7 die gewünschte Triebwerksleistung zugrunde legt, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwerksleistung durch die Belastung der Gasturbinen-Brennkammer 1 in Form eines so genannten Stufungsparameters (SP) charakterisiert ist, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit 7 entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird, dass der Stufungsparameter (SP) aus einem funktionalen Zusammenhang abgeleitet wird, dass eine nachgeschaltete Summationsstelle zur Berechnung der Differenz zwischen einem aktuellen Wert des Stufungspunktes und einem Wert des nominalen Stufungspunktes vorgesehen ist, und dass der Summationsstelle ein Zeitelement (TIMER) nachgeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass nach dem Über- beziehungsweise Unterschreiten des angepassten Stufungspunktes der Umschaltvorgang zeitlich verzögert wird, wenn die Zeitdauer seit dem Ausführen der letzten Stufung kleiner ist als eine vordefinierte Zeitkonstante, die in einem Kennfeld abgelegt ist.The invention relates to a fuel injection system for a tiered combustion chamber 1 of an aircraft gas turbine engine, the Pilot burner 3 always supplied with a certain amount of fuel will / will, during their main burner (s) 4 only at higher Engine power is metered to fuel, where downstream of a control valve unit which determines the total amount of fuel 6 a this total fuel mass flow (WF) changeable on the pilot burner 3 and on the main burner 4 dividing stage valve unit 7 is provided, both be controlled by an engine controller 8, which for the Control of the staging valve unit 7 the desired engine power based, characterized in that the Engine performance due to the load on the gas turbine combustion chamber 1 in the form of a so-called grading parameter (SP) is characterized, on the basis of which the step valve unit 7 is controlled according to a switching line that the Grading parameters (SP) derived from a functional relationship is that a downstream summation point for Calculation of the difference between a current value of the grading point and a value of the nominal grading point and that the summation point is a time element (TIMER) is subordinate, which is designed so that after the exceeding or falling below the adjusted grading point the switching process is delayed if the length of time since the last step was carried out is as a predefined time constant in a map is filed.

Claims (15)

1. Fuel injection system for a staged combustion chamber (1) of a gas turbine aero-engine, in which a certain quantity of fuel is permanently supplied to the pilot burner(s) (3) and in which fuel is apportioned to the main burner(s) (4) only at higher engine performance, whereby a staging valve unit (7) which variably splits the total fuel mass flow (WF) to the pilot burners (3) and to the main burners (4) is provided downstream of a control valve unit (6) which controls the entire fuel mass flow, with both valve units being actuated by an engine controller (8) and with the actuation of the staging valve unit (7) being accomplished on the basis of the desired engine performance, characterized in that the engine performance is described by way of a staging parameter (SP) reflecting the load of the gas turbine combustion chamber (1) and actuating the staging control unit (7) according to a switching line, in that the staging parameter (SP) is derived from a functional relationship, in that a downstream summation point is provided for the computation of the difference between an actual value of the staging point and a value of the nominal staging point, and in that a time element (TIMER) is provided subsequent to the summation point, said time element being designed such that switch-over is delayed upon overshooting or undershooting of the adjusted staging point, respectively, if the period since the execution of the previous staging event is smaller than a pre-defined time constant held in a diagram of characteristics.
2. Fuel injection system in accordance with Claim 1, characterized in that provision is made for the actuation of the time element (TIMER) when the actual value of the staging point is 1.
3. Fuel injection system in accordance with Claim 1 or 2, characterized in that provision is made for actuating the time element (TIMER) by way of a characteristics-based control.
4. Fuel injection system in accordance with Claim 3, characterized in that the characteristics-based control is designed for the output of a control parameter t_MIN,staging to the time element (TIMER).
5. Fuel injection system in accordance with Claim 4, characterized in that the control parameter is set small for rapid load changes and is set large for slow load changes.
6. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 3 to 5, characterized in that provision is made for inputting the time derivation of the rotational speed of the high-pressure turbine shaft (dNH/dt) to the characteristics-based control for the time element (TIMER).
7. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 1 to 6, characterized in that provision is made for inputting the output value SPK* of the time element (TIMER) to a selector element.
8. Fuel injection system in accordance with Claim 7, characterized in that the selector element is designed such that the actual value of the staging point computation is used for SPK* = 0 and that the value of the last time step (Z^-1) is applied for SPK* = 1.
9. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 1 to 8, characterized in that the staging parameter (SP) is derived from a functional relationship:

   {Total fuel mass flow (WF)} divided by {gas pressure at combustion chamber entry (P30)} multiplied by {gas temperature at combustion chamber entry (T30)},
      i.e. SP = function of [WF / P30 • T30] or

   {Total fuel mass flow (WF)} divided by {gas pressure at combustion chamber entry (P30)} multiplied by {square root of the gas temperature at the combustion chamber entry (T30)},
      i.e. SP = function of [WF / P30 •(T30)^½] or

   {Total fuel mass flow (WF)} divided by {gas pressure at combustion chamber entry (P30)} multiplied by {square root of the quotient of the gas temperature at the combustion chamber entry (T30) and the gas temperature at the engine inlet (T20)},
      i.e. SP = function of [WF / P30 • (T30 / T20)^½] or

   {Total fuel mass flow (WF)} divided by {gas pressure at combustion chamber entry (P30)} multiplied by {total temperature(T44) downstream of the high-pressure turbine or square root thereof},
      i.e. SP = function of [WF / P30 • T44], or
         SP = function of [WF / P30 • (T44)^½].
10. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 1 to 9, characterized in that - with regard to the switching in and the switching off of the main burners (4) - the main burners are switched in when the engine performance rises above the staging point and in that the main burners are switched off when the engine performance falls below the staging point, and in that at least one correction element (ΔSP) is added to a basic value of the staging point in the form of an offset, said staging point being established especially from a diagram of characteristics, and said correction element reflecting one of the following influencing parameters:

    Absolute value of the gas pressure (P30) and/or the gas temperature (T30) at the combustion chamber entry

    Corrected speed of the high-pressure compressor (N2RT20) and gas pressure at the engine inlet (P20)

    Flight altitude and/or selected ambient conditions

    Rate of load change

    Compressor surge
11. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 1 to 10, whereby a so-called split value (S) is determined from the staging parameter (SP) via a diagram of characteristics, said split value describing the fuel apportionment between the pilot burners (3) and the main burners (4) and being used to control the staging valve unit (7), characterized in that the split value (S) is adjusted for transient states of the engine by way of a correction factor which is established in dependence of the time change of the rotational speed of the high-pressure shaft of the engine, in particular.
12. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 1 to 11, characterized in that recourse is made to a substitute limiting value for the split value if the time-differentiated split value exceeds a limiting differential value.
13. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 1 to 12, characterized in that a change of the engine air bleed rate is precluded during a staging event in which the main burners (4) are activated or de-activated, initiated by the engine controller (8).
14. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 1 to 13, characterized in that a staging anticipation logic provides for short-term filling of the main burners (4) if their activation is imminent.
15. Fuel injection system in accordance with one of the Claims 1 to 14, characterized in that during start-up of the engine the fuel lines to the main burners and the fuel lines to the pilot burners are filled simultaneously without measuring the filling state in the main burner lines.

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