DE1601556A1 - Temperaturanzeigeeinrichtung fuer Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

DIpI. Ing. Egon Prinz ·°°° *·"««··■ ·°. Dr. G.rtrud Hausar ^Entbe °^{IM lf} 1 7 M al 1967 Dlpl.-Ing. Gottfried Uiser

General Eleotric Company

T«l*eramnw: labyrinth MOndim

T.i.f_On, $3 is ίο Schenectady, New York / V.St.A

Pothdwdckonloi MOndnn 117*78 Unser Zeichen: G 1087

Temperaturanzeigeeinrichtung für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf Temperaturanzeigeeinrichtungen und insbesondere auf Temperaturanzeigeeinrichtungen für Gasturbinentriebwerke.

Einer der kritischsten Parameter bei der Steuerung und beim Betrieb von Gasturbinentriebwerken ist die Temperatur der Verbrennungsgase am Turbineneinlaßabschnitt des Triebwerkes. Wenn diese Temperatur ansteigt, steigt die Leistung des Triebwerkes ebenfalls an. Die Materialien, die für die Schaufeln im Turbinenabsohnitt verwendet werden, führen jedoch eine Begrenzung für die Turbineneinlaßtemperainiren ein und zwar wegen der begrenzten Festigkeiten bei erhöhten Temperaturen.

Es ist ein allgemeines Ziel bei Hochleistungsgasturbinentriebwerken, diese Temperatur auf den höchsten Wert ein- zustellen, der entsprechend den Wärmeaufnahmefähigkeiten der Turbinenschaufeln zulässig ist, um eine maximale

009809/081) Triehwerksleistung

Triebwerksleistung bei maximaler lebensdauer dea Turbinenabachnittes zu erhalten·

Durch die Schaffung von verbesserten legierungen für die Schaufeln des Turbinenabschnittes war es möglich, die Turbineneintrittstemperaturen soweit zu erhöhen, daß eine Direktmessung dieses Parameters für Steuerzwecke außerhalb der Möglichkeiten gegenwärtig verfügbarer Temperaturfühler liegt. Bisher wurde eine indirekte Messung des Parameters durch Indikatoren durchgeführt, welche andere Triebwerksbetriebsparameter korrelieren, um ein Turbineneintrittstemperatursignal zu erzeugen.

Diese Näherung ist im allgemeinen bei der Anzeige mäßiger Turbineneintrittstemperaturen wirkungsvoll, jedoch bringt diese Näherung nicht die erforderliche Genauigkeit mit sich, um Turbineneintrittstemperaturen über einen großen Bereich von Triebwerksbetriebsbedingungen anzuzeigen·

Es ist demzufolge ein Ziel der Erfindung, die Turbineneintritts temperatur en eines Gasturbinentriebwerkes über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen genau anzuzeigen und zwar durch eine Verwendung von leicht zu messenden Triebwerks betriebsparam&ern.

GemSß der Erfindung ist eine Temperaturanzeigeeinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, welches einen

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Kompressor

Kompressor zur Komprimierung der Luft aufweist, wobei dieser Kompressor einen Kompressorrotor hat und welches einen Verbrennungsabschnitt aufweist, dem die komprimierte Luft zugeführt wird, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten, wobei Düsen vorgesehen sind, um Brennstoff in den Verbrennungsab schnitt einzuführen, damit dieser Brennstoff mit der Luft verbrannt werden kann, um einen heißen Abgasstrom zu erzeugen und wobei eine Turbine vorgesehen ist, die einen Rotor und einen Einlaß aufweist, um die heißen Abgase zum Antrieb des Hotors einzuführen, wobei die Roticen des Kompressors und der Turbine verbunden sind, um einen Triebwerksrotor zu bilden, und wobei Fühler vorgesehen sind, um die Temperatur am Eintritt der Turbine anzuzeigen, wobei die Anzeigeeinrichtungen eine elektrische Schaltung beispielsweise eine Servor-Multiplier-Sehaltung aufweisen, um Signale zu erzeugen, die der Triebwerksrotordrehzahl, der Lufttemperatur am Einlaß der Brennkammer, dem statischen Druck am Einlaß der Brennkammer und der Brennstoffströmungsrate zur Brennkammer proportional sind, wobei erfindungsgemäß eine Kombination von elektrischen Schaltungen vorgesehen ist, die einen Flankt ions gene rat or und eine Teilerschaltung aufweisen, um die Ausgangssignale der Signalerzeugungssohaltung aufzunehmen, um ein Zwischensignal als Punktion der Brennstoffströmung dividiert durch den Turbineneintrittsquerschnitt und den statischen Druck am Einlaß der Brennkammern und als eine vorbestimmte Funktion der Triebwerksrotordrehzahl und des statischen Druckes am

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Eintritt

Eintritt der Brennkammern zu schaffen, wobei elektrische Einrichtungen, wie beispielsweise ein Paar parallel geschaltete Widerstände vorgesehen sind, um das Ausgangssignal von der Temperatursignalschaltung dem Ausgangssignal dieser das Zwischensignal erzeugenden Schaltung hinzuzufügen und wobei eine sogenannte Quadratwurzelschaltung oder eine Quadratnurzeleinrichtung, wie beispielswdse ein Servo-Multiplier vorgesehen ist, um aus dem Ausgangssignal der Zufügungsschaltungen ein Signal abzuleiten, welches der Quadratwurzel dieses Signalers entspricht, wobei dieses Quadratwurzelsignal in eine elektrische Verzögerungseinrichtung eingegeben wird, um eine vorbestimmte Zeitverzögerung in diesem Quadra tiiwurzelsignal zu schaffen, wonach der Signalausgang der Einrichtungen zur Erzeugung des Zwischensignals durch das Quadratjtwurzelsignal vervielfacht wird, wobei das Ausgangssignal der Zufügungsschaltungen ganz genau die Temperatur am Eintritt der Turbine darstellt·

Die im vorstehenden aufgeführten und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden» Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes, welches mit einer erfindungsgemäßen Temperaturanzeigeeinrichtung ausgestattet ist,

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Pig. 2 und 5 schematische Darstellungen anderer Auaführungsformen der Temperaturanzeigeeinrichtung und

Pig· 4» 5 und 6 Daratellungen von Zwischensignalen, die durch Teile der Temperaturanzeigeeinrichtungen erzeugt werden, die in den Pig. 1-3 dargeatellt aind·

In Pig· 1 iat in vereinfachter Weiae ein Gaaturbinentriebwerk 10 dargeatellt, bei dem die Erfindung angewendet wird. Daa Gasturbinentriebwerk 10 weiat einen Eintritt 12 auf, duroh den Luft in einen Axialetrömungakompreasor 14 eintritt, der einen Kompreaaorrotor 15 aufweiat, der diese Luft komprimiert, die dann an einen Brennkammerabachnitt abgegeben wird. Eine Anzahl Düsen 18 erhält unter Druck stehenden Brennstoff und diese Düsen spritzen diesen Brennstoff in die Brennkammern 16 ein_o Das sich ergebende Brennstoff -Luftgemisch wird durch an aieh bekannte Vorrichtungen gezündet.

Die Abgase gehen duroh einen Turbineneinlaß 20 hinduroh, der eine Reihe von konvergierenden Strömungskanälen aufweist, , lim die Gase auf eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen. Der Turbineneinlaß 20 leitet die Gase gegen einen TurbinenAotor 22. Der Turbinenrotor 22 wird durch den mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasstrom gedreht und diese Drehung wird verwendet, um den Kompressorrotor 15 über eine Welle 24 anzutreiben.

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Gemäß der Erfindung weist das Gasturbinentriebwerk ein System zur Anzeige der Gastemperatur T4 am TurbineneimlaS auf, wobei zur Anzeige leicht abtastbare Triebwerk-Betriefoa parameter verwendet werden· Die Beziehungen zwischen dem verschiedenen Parametern werden durch die folgenden Gleichungen gegeben:

Gleichung 1

wobei die verwendeten Symbole die folgende Bedeutung haben:

Op = spezifische Wärme der Luft bei konstantem Druck, ^Luft ⁼ ^^ewi^cn* der Luftströmung durch die Brennkammern

16,
T. = Gesamttemperatur der Gase am Turbineneintritt 20,

Τ, = Gesamttemperatur der Luft am Eintritt der Brennkammern 16,

Q_n * Brennstoffheizwert (Wärmeeinheiten pro Gewlehteinheiten des Brennstoffes),

= Wirkungsgrad der Verbrennung der Brennkammern 16,

= Verbrennungsfunktion oder mit anderen Worten, die Enthalpfcänderung für den Brennstoff in der Brennkammer und

Gewicht der Brennstoffströmung in die Brennkamae:rn durch die Düsen 18.
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Es iat zu erkennen, daß die Wärme, die der Luft zugeführt wird, die durch die Brennkammern 16 hindurchgeht, gleich der Wärme ist, die vom Brennstoff während der Verbrennung abgegeben wird* Löst man die Gleichung T^ oder die Temperatur am Turbineneintritt 20 auf, so ergibt sich die folgende Gleichung:

Gleichung 2

Es ist zu erkennen, daß die !Durbineneintrittstemperatur bzw. die Temperatur T, gleich der Eintrittstemperatur der Brennkammern ist plus dem Kraftstoff-Luftverhältnis in der Brennkammer dividiert durch'die spezifische Wärme der Luft und multipliziert mit dem Wirkungsgrad der Brennkammer. Die luftströmung (W-r _f+) kann mit großer Genauigkeit dadurch, gmessen werden, daß die Gasströmung durch den Turbineneintritt 20 gemessen wird. TJm die Strömung durch diesen Eintritt zu messen, wird die folgende üblicherweise bei Turbineneintritten verwendete Gleichung benutzt.

Gleichung 3

Hierbei ist frf = Strömungsfunktionskoeffizient

W/ = Gewicht der Gasströmung durch den Eintritt

20,
009809/0813 _T

Τ_Δ = die Gesamttemperatur der Gaae am Eintritt 20,

P- = der Gesamtdruck der Gase am Eintritt 20 und 4

A, = der Strömungsquerschnitt des Turbineneintritts 20,

Formt man die Gleichung 3 um, so ergibt sich die folgende Gleichung:

Gleichung 4

V ■ ¹T f h H

~7*l

Diese (Jleichung zeigt, daß das Strömungsgewicht der Gase durch den Turbineneintritt direkt dem Strömungsfunktionskoeffizienten (R^) den Werten P^ und A^ proportional ist und zur Quadratwurzel von T, umgekehrt proportional ist.

Es ist schwierig, den Druck P, wegen der hohen Temperaturen direkt zu messen und der Druck P* kann indirekt in Tennen des statischen Druckes am Eintritt der Verbrennungskammern 16 ausgedrückt werden oder in Tennen von P_» multipliziert mit einer Funktion der Rotordrehzahl f(N). # In Ähnlicher Weise kann die Größe W^ ausgedrückt werden ale W,- _f. multipliziert mit einer Funktion der Hotordrehzahl f(N).

Bisher wurde angenommen, daß der Strömungsfunktionakoeffizient (ff_f) von einer Vielzahl von unabhängigen Variablen abhängt und daß es nicht möglich ist, eine einfache Bezie-

009809/0813 hung

hung zu einem einzigen Parameter herzustellen. Es wurde jedoch gefunden, daß für zusammengebaute Gasturbinentriebwerke dieser Koeffizient hauptsäohlioh von einer Punktion der Rotordrehzahl (N) abhängt· Diese Entdeckung hat es ermöglicht, den StrÖmungafunktionskoeffizienten zu verwenden, um die Luftströmung Wj₁₁₁^mit großer Genauigkeit zu messen·

Ea wurde ferner gefunden» daß getrennte Funktionsbeziehungen zwischenfr_f und N vorhanden sind, und zwar eine Beziehung für den stationären Betriebszustand des Triebwerkes 10 und die andere für einen Beschleunigungsbetrieb dieses Triebwerkes. Bei diesen beiden Betriebsweisen ist bei verhältnismäßig geringen Leistungen auch eine Beziehung zwischen der Strömungsfunktionsgleichung und der Eintrittstemperatur T, der Brennkammern festzustellen. Die Einwirkungen von T, auf die Strömungsfunktion während dieser verschiedener Betriebezustände ist verhältnismäßig gering und kann entweder bei der Anzeige der Turbineneintrittstemperatur in Rechnung gestellt werden, um eine erhöhte Genauigkeit zu schaffen oder kann vernachlässigt werden, um eine Vereinfachung zu ermöglichen·

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Betrachtungen kann die Gleichung 4 abgeändert werden und die Luftströmung O^Lu-ft^ i& die Brennkammern 16 kann wie folgt dargestellt werden;

Gleichung 5 009809/0813

Gleichung 5

"taft - ^Ps3

Zur leichteren Handhabung wurden alle Gleichungsparameter, die eine funktionale Beziehung zur Rotordrehzahl aufweisen, in einem Funktionier!» f (N) kombiniert. Weiterhin wurde die Einwirkung von T, auf die Strömungafunktion vernachlässigt, um einfacher die Turbineneintrittatemperatur T^ ableiten zu können.

Das Einsetzen der Gleichung 5 in Gleichung 2 ergibt: Gleichung 6

*♦

Der Term Op kann als eine Funktion der Rotordrehzahl f(H) ausgedrückt werden· Der Koeffizient K^ ist im Vergleich, zum Term QTlnB Y^kaltnismafiig klein und die geringe Einwirkung kann als eine Funktion der Drehzahl (5) ausgedrückt werden.

Der Brennstoffheizwert (Q) ist im wesentlichen konstant und kann durch eine Konstante K₀ ausgedrückt werden· Der Wirkungsgrad der Verbrennung (Ii₀₅) der Brennkammern ν**ητϊ als eine Konstante (K₁) ausgedrückt werden, multipliziert mit

einer Hauptfunktion des statischen Druckes (P₃₅) am Eintritt 009809/0813 _dep

der Verbrennungskammern 16 und als eine Hebenfunktion des Bre-.nstoff-Luft-Verhältnisses (W_f/W_{Luft)# Me Einwirkung des} Brennstoff-Luft-Verhältnisses auf den Wirkungsgrad der Verbrennung Oln-n) kann vernachlässigt werden, um das zur Ermittlung von T, vermittelte Computersystem zu vereinfachen.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen kann die Gleichung 6 wie folgt geschrieben werden:

Gleichung 7

In dieser Gleichung wurden die Eonstanten für den Wirkungsgrad der Verbrennung K- und für den Brennstoffheizwert K_Q zu einer Konstanten K kombiniert.

Wendet man die vorstehende Gleichung auf ein Temperaturanzeigesystem für das in Pig· 1 dargestellte Triebwerk an, so ist zuerkennen, daß ein Drehzahlfühler 26 mechanisch mit dem Rotor 24 des Gasturbinentriebwerkes verbunden werden kann und daß dieser ein Spannungssignal erzeugt, welches di rekt der Rotordrehzahl (U) proportional ist_e Ein Temperatur fühler 28 ist vorgesehen, um ein Spannungssignal zu erzeugen, welches direkt der Gesamttemperatür (T*) an der Verbrennungskammer 16 proportional ist. Ein Druckfühler 350 ist vorgesehen, um ein Spannungssignal zu erzeugen, welches di-

009 8 0 9/0813 rekt

rekt dem statischen Druck (Pg3) ⁸^ ^der Brennkammer 16 proportional ist. Ein Strömungsmeßgerät 32, insbesondere ein Strömungamengenmeßgerät, welches.eine hohe Genauigkeit ermöglicht, erzeugt ein Spannungasignal, welches direkt der Brennstoff strömung (W ^) proportional 1st, die in die Verbrennungskammer 16 duroh die Düsen 18 eingespritzt wird. Diese Fühler und die damit verbundenen Einrichtungen sind derart ausgelegt, daß Spannungasignale erzeugt werden, die ebenfalls den abgetasteten Parametern proprotional sind, sodaß die Fühler miteinander vereinbar sind, um Bingangsspannungen für das nachfolgende System zur Erzeugung eines Zwischensignals zu bilden·

Das System but Erzeugung dee Zwischensignale soll anhand ν on elektrischen Komponenten und Bauteilen beschrieben werden, und es sei bemerkt, daß ebenfalls mechanische, elektromechaniache und pneumatisch· Geräte und dergleichen verwendet werden können, um die gleichen Punktionen durchzuführen, wie die elektrischen Komponenten·

Das System zur Erzeugung des Zwiachenaignala weist einen Spannunga funktionsgenerator 48 auf, der mit dem Ausgang des Druckfühlera 30 verbunden ist. Der Spannungsfunktionegenerator 48 ist dferart ausgelegt, daß dieser eine Ausgange» spannung erzeugt, die eine vorbestimmte funktion der Eingangs spannung ist. Zahlreiche elektrische Schaltungen können für diesen Zweck verwendet werden, beispielsweise ein Servo-

009 809/0813 Multiplier,

Multiplier, wie er in den Buch Control Engineering Manual, Ledgewood, MoGraw-Hill, 1957_f S. 132 beschrieben ist, Ein derartiges Gerät kann eine Ausgangsspannung erzeugen, die der in Pig· 4 dargestellten ähnlich ist, welche eine Kompensation für den Brennkammerwirkungsgrad Ί\η·α bildet.

Der Ausgang des B_renn8toffStrömungsfühlers 32 ist mit der Teilerschaltung 46 verbunden, welche ebenfalls in Form eines Servo-Multipliers ausgebildet sein kann, wie es auf Seite 129 des im vorstehenden zitierten Buches diskutiert wird.

Der Ausgang des Funktionsgenerators 48 wird der Teilerschaltung 46 zugeführt, um die Ausgangsspannung des Brennstoffströmungefühlers 32 zu teilen, um eine Ausganga^annung zu erzeugen, die der Größe V^₃ Tf(P₈₃J proportional ist.

I)Ie Ausgangs spannung des Rotordrehzahlfühlera 26 wird einem zweiten Funktionsgenerator 36 zugeführt, der derart ausgelegt ist, daß eine vorbestimmte Ausgangsspannung, entsprechend der Ausgangsspannung des Drehzahlfühlers 26 erzeugt wird» Der Funktionsgenerator 36 kann wider um die Form des Servo-Kultipliers aufweisen, der auf Seite 132 des im vorstehenden zitierten Buches diskutiert wird. Sie For* der Ausgangsspannungskurve des Funktionsgenerators 36 kann die in Fig. 5 bei der Linie A dargestellte Form aufweisen, wobei gezeigt wird, daß der Kerm f (H) mit zunehmender Eo-

009809/0813 tordrehzahl

tordrehzahl (N) anwächst, und dadurch werden Änderungen von Op, N_B4 und des Strömungsfunktionskoeffizienten ff _f kompensiert.

Die Auagangsspannungen der Teilersehaltung 46 und dea Punktionagenerat ora 36 werden in eine Teilerachaltung 38 eingeführt, welche ebenfalls ein Servo-Multiplier sein kann, wie ea auf Seite 129 dea im vorstehenden zitierten Buchee beschrieben wird. Die Teilerschaltung dividiert die Ausgangs· spannung der Schaltung 46 duroh die Ausgangsspannung des Punktionsgenerators 36.

Wenn das Gasturbinentriebwerk 10 einen festen Turbinenleitkranz 20 aufweist, können der inverse Wert des Querschnittes (Aj) und der Sei« E für den Brennstoffheizwert zu einer einzigen Konstanten kombiniert werden, um die Ausgangsspannung der Schaltung 38 mittels eines Multipliers 39 zumultiplizieren, beispielsweise mittels eines Multipliers, der auf Seite 129 dea im vorstehenden zitierten Buches beschrieben wird. Sollte der Turbinenleitkranz 20 eine variable Geometrie haben, wird eine Querschnittssignalvorrichtung 33 vorgesehen, die gestrichelt dargestellt ist, um ein Signal zu:· erzeugen, welches umgekehrt proportional zum Querschnitt (A₄) ist und dieses Signal wird der Multiplier-Schaltung 39 zugeführt, die duroh die Brennstoffheizwertkonstante K vorgespannt ist. Geringfügige Unterschiede in den Brennstoffheizwerten zwischen unterschiedlichen Brenn-

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stoffen

stoffen können daduroh kompensiert werden, daß der Grad eingestellt wird, bi3 zu welchem die Multiplierstufe 39 vorgespannt wird.

Die Ausgangsspannung der Multiplierstufen 39 "Wird einer Multiplierstufe 44 zugeführt, die noch beschrieben werden soll, und einer Addierstufe 40, in der das Signal, welches vom Temperaturfühler 28 kommt und welches die Temperatur T* wiedergibt, zu dem Signal aus der Teilerstufe 38 addiert wird, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die dem Wert Τ* proportional ist. Die Addierstufe kann die Form eines Paares von parallel geschalteten Widerständen aufweisen, wie es auf Seite 126 des im vorstehenden zitierten Buches beschrieben wird.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß die Endgleichung Hr. 6 für den Wert T, als unabhängige Variable die Quadratwurzel von T^ enthält. Die mathematischen Schwierigkeiten, die sioh durch diese Gleichung ergeben, werden durch ein wesentliches Merkmal der Erfindung gelöst und zwar dadurch, daß diese Funktion in der Weise gehandhabt wird, daß das T* Ausgangsspannungssignal einer Quadratwurzelschaltung 42 zugeleitet wird« Diese Quadratwurzelschaltung 42 kann die Form eines Servomultipliers aufweisen, der für diese Zwecke

X, aufgebaut 1st, wie es auf Seite 132 des im vorstehenden g ν iltierten Buches beschrieben wird·

Die 009809/0813

Die Ausgangsspannung der Quadratwurzelschaltung 42 wird einer elektrischen Zeitverzögerungsschaltung 43 zugeführt. Die elektrische Zeitverzögerungsschaltung 43» die in an sich bekannter Weise aufgebaut sein kann, bewirkt, daß das aus der Quadratwurzelschaltung austretende Signal eine vorbestimmte Zeitverzögerung aufweist, damit die Rüokkopplungsschleife mathematisch bestimmbar wird.

Die Ausgangsspannung der Zeitverzögerungsschaltung 43 wird der Multiplierschaltung 44 zugeführt, die ähnlich wie die Schaltung 39 aufgebaut sein kann, um diese Ausgangsspannung duroh die Ausgangsspannung des Vervielfachere 39 zu vervielfachen·

Dadurch, daß die Quadratwurzel des den Vert Ϊ, wiedergebenden Ausgangsspannungssignals durch eine Zeitverzögerungsrückkopplungsschleife durchgeführt wird, wird der mathematische Vorgang auegeschaltet, daß der Auegang der Werte von T₄ verwendet wird, um einen T₄-Wert zu berechnen, bis die beiden Werte einander gleich sind. Dadurch wird ein umfangreiches mathematisches Verfahren automatisch innerhalb einer sehr kleinen Zeitperiode durchgeführt. Das im vorstehenden beschriebene Temperaturanzeigesystem arbeitet in der Weise, daß eine genaue Darstellung der Turbineneintrittstemperatur T^ eines Strahltriebwerkes erzeugt wird, und «war aus Eingangssignalen, welche leicht zu messende Triebawerkabetriebsparameter darstellen· Das Ausgangssignal dee Tempe-

009809/081 3 raturanzeigesyatems

raturanzeigesystems kann für viele"Zwecke verwendet werden, beispielsweise um den Querschnitt einer Austrittsdüse mit veränderlichem Querschnitt zu verändern, um T^ zu steuern oder um die Brennstoffströmung zu begrenzen, um T, einzuatellen·

Falls eine noch größere Genauigkeit dea Temperaturanzeigeayatema erwünaoht iat, können die folgenden alternativen Ausführungsformen dea Systems zur Erzeugung dea Zwischenaignala verwendet werden·

Ea sei nunmehr auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine abgeänderte Ausführungsform dea Syatema zur Erzeugung dea Zv/ischensignala darstellt, um die Division von W^ duroh P_g, durchzuführen »und um den Verbrennungswirkungagrad (Τλρ_Β) als Hauptfunktion von (P₈*) und zusaätzlich ala Sekundärfunktion von (P₈-*) und zusätzlich als Sekundärfunfetion des luft^ Brennstoff-Verhältnisses zu kompensieren.

Baa Iiuft-Brennstoff-Verhältnis kann im wesentlichen als eine Funktion der Brennstoffströmung und des statischen Druckes in der Nähe des Einlasses der Brennkammer 16 dargestellt werden Cf(W^ Pgj)] · Die Division der Brennstoff strömung W^. duroh den Druck P₃* kann in üblicher Weise in den £eül ^f (W_f, ^Sj)][J aufgenommen werden und zwar dadurch, daß der ifcerm f (Ρ₃») derart ausgebildet wird, daß dieser einen inversen Wert von P₈, wiedergibt, .

009809/0813 Die

Die Spannungsausgänge dea Druclcfühlers 30 und des Brennstoffströmung3fühlers 32 werden einem Funktionsgenerator 50 zugeführt, der ein Ausgangssignal erzeugt, welches eine vorbestimmte Beziehung zu den Eingangsvariablen W^. P_g^ hat. Bin Beispiel dieser Beziehung, die empirisch bestimmt werden kann, ist in Fig. 6 dargestellt, in dem eine Kurvenfamilie dargestellt ist, die die Beziehung zwischen W^ und P_a5 angibt. Es 3ei bemerkt, da/3 P_s5 auf der X-Achse aufgetragen ist und daß der Tera f(W_f, P₈*) auf der Y-Achse aufgetragen ist, wobei jede nachfolgende Kurve eine Zunahme der Brennstoffströmung wiedergibt. Der Funktionsgenerator 50 kann als elektrisches Gerät ausgebildet sein oder als ein Gerät, welches die elektrischen Signale in mechanische Signale umwandelt, die 4ann bei einer nockensteuerung verwendet werden, wobei diese Nookenateuerung derartige Konturen aufweist, daß ein Hookennachläufer die Ausgangswerte erzeugt, die in Fig. 6 dargestellt sind. Selbstverständlich müssen bei einer Verwendung von Nockensteuerungen Einrichtungen vorgesehen sein, um die mechanischen Ausgangssignale in ein elektrisches Signal umzuwandeln welches dem restlichen Teil des Temperaturanzeigesystems angepaßt ist. Andere Vorrichtungen für diesen Zweck sind auf den Seiten 132 bis 134 des im vorstehenden zitierten Buches beschrieben·

Die zusätzliche Kompensation des Verbrennungskämmerwirkungsgrades 7|_CB durch das Brennstoff-Luftverhältnis im System

009809/0813 zur

zur Erzeugung dee Zwischensignales führt zu mit hohen Genauigkeiten berechneten Werten von Turbineneintrittstemperaturen_t bei stationären Betriebazuatänden des Triebwerkes.

Um eine größere Genauigkeit für Übergangsbetriebszustände des Triebwerkes insbesondere für eine Beschleunigung zu schaffen, kann der Stoair f(N) von der Betriebsweise des Triebwerkes 10 und von der Brennkammereintrittstemperatur T, abhängig gemacht werden.

Das System zur Erzeugung des Zwischensignals ist in Form eines Blockschaltbildes in Pig. 3 dargestellt und dieses System wird verwendet, um diese Effekte zu kompensieren. Die Signalausgangsspannung des Drehzahlgebers 26 wird dem Punktionsgenerator 54 für eine stationäre Betriebsweise zugeführt» wobei dieser Funktionsgenerator 54 ähnlich aufgebaut sein kann wie der Funktionsgenerator 48 zur Erzeugung einer Drehzahlfunktion f(K), wobei eine eiperimentiel oder ^: empirisch abgeleitete Funktion in Fig. 5 bei C dargestellt ist. Die Ausgangsspannung des Drehzahlgebers 26 wird ebenfalls einem Besohleunigungsfunfrtionsgenerator 56 zugeführt, der zusätzlich noch eine Spannung vom Temperaturfühler 28 erhält. Der Beschleunigungsfunktionsgenerator kann ähnlich aufgebaut sein wie der Funktionsgenerator 50. Der Beschleunigungsfunktionsgenerator 56 erzeugt eine Ausgangsspannung, die eine vorbestimmte Funktion der Drehzahl und der Temperatur ist. Eine typische Funktionskurve ist in Fig. 5 bei B

009809/0813 . .

dargestellt,

dargestellt und es ist zu erkennen, daß die Veränderung der Drehzahlfunktion f(N) durch die Drehzahl (N) bestimmt wird und daß bei kleineren Drehzahlen zusätzlich eine Bestimmung duroh die Temperatur T, am Einlaß der Brennkammern 16 erfolgt·

Die Ausgangsspannungen des stationären Betriebszustands-Funktionsgenerators und des Beschleunigungsgeneratora 54- und 56 werden einer elektrischen Schaltvorrichtung 58 zugeführt, die eine der beiden Ausgangssignalspannungen auswählt und zwar in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Triebwerkes 10 und die Schaltung 58 führt das ausgewählte Spannungssignal zum Teiler 38, der im vorstehenden beschrieben wurde. Die elektrische Schaltvorrichtung 58 kann in üblicherweise von einer Drehzahlabweichungsschaltung 60 betätigt werden, welche die tatsächliche Drehzahl (N) des Triebwerkes, die vom Geber 26 abgefühlt wird, mit einem elektrischen Signal vergleicht, welches von einer Drehzahlsteuerung 62 erzeugt wird, wobei eine derartige Steuerung in den Steuersystemen der meisten Gasturbinentriebwerke vorhanden ist·

Wenn das eingeplante oder gesteuerte Drehzahlsignal um eine vorbestimmte Größe größer ist als das Drehzahl-Ist-Signal, so befindet sich das Triebwerk in einer Beschleunigungsphase und der Drehzahlabweichungsgeber 60 erzeugt ein Signal, welches den Schalter 58 derart betätigt, daß der Ausgang dea Beschleunigungsfunktionsgenerators 56 mit der Teilerschaltung 38 verbunden wird. Wenn der Unterschied zwischen dem SoIl-

Drehzahl-Signal 0 0 9 8 0 9/0813

Drehzahl-Signal und dem Ist-Drehzahl-Signal geringer ist als der Yorbeatimmte Wert, betätigt die Drehzahlabweichungsschaltung 60 den Schalter 58 derart, daß die Ausgangsspannung des stationären Punktionsgenerators 54 mit der Steuerschaltung 38 verbunden wird. Daduroh, daß der vorstehende Steuerungsaufbau zur Darstellung des Strömungsfunktionskoeffizienten verwendet wird, ist die angezeigte Turbineneintrittstemperatur Tt ein außerordentlich genauer Wert, wobei diese Genauigkeit insbesondere über einen großen Bereich von Triebwerks-Betriebs zuständen erzielbar ist, wobei diese Betriebszustände den Leerlauf, die-Beschleunigung und den stationären Betrieb umfassen·

Das in Pig· 3 dargestellte System zur Erzeugung von Zwischenaignalen umfaßt eine Kompensation für die Brennkammer-Eintrittstemperatur T, lediglich für den Beschleunigungsbetrieb, da deren Einwirkung auf die Punktion f(N) in dieser Betriebsphase am größten ist. Wenn jedoch die höchste Genauigkeit erwünscht ist, können die verhältnismäßig geringen Einwirkungen von T, auf die Punktion f (N) beim stationären Betrieb dadurch kompensiert werden, daß vom Temperaturfühler 28 ein Signal abgeleitet wird, welches dem stationären Punktionsgenerator 54- augeführt wird und daß eine neue vorbestimmte Ausgangsfunktion erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform entspricht der stationäre Punktionsgenerator dem Besohleunigungsfunktionsgenerator 56.

Die 009809/0813

Die vorstehenden Ausführungen bezogen sich auf spezielle Ausbildungen der Komponenten, die ein Anzeigesystem für die Turbineneinlaßtemperatur T. bilden. Es sei bemerkt, daß jeder Aufbau gemeinsame Merkmale aufweist„ Die Verwendung von hauptsächlich einer Punktion der Rotordrehzahl um den Strömungsfunktionskoeffizienten auseudrücken und die Tatsache, daß bestimmte bei der Ableitung der Turbineneinlaßtemperatur verwendete Parameter kompensiert werden, ist von großer Bedeutung und ermöglicht die Schaffung eines vereinfachten Anzeigesystems, welches Ausgangssignale von hoher Genauigkeit erzeugt. Die spezielle Funktion der Rotordrehzahl f (Ii) kann selbstverständlich für die verschiedenen Triebwerkty— pen verschieden sein» Es reicht jedoch aus, die Punktion der Drehzahl für einen Triebwerkstyp empirisch zu bestimmen und diese Punktion kann bei einzelnen Triebwerken dieses Typea verwendet werden.

Die Veränderung der Punktion f(N) al3 Punktion des Triebwerk-BetriebszustandeB und der Brennkammereinlaßtemperatur T, macht es möglicht, daß das Rechensystem Werte von T, erzeugt, die über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen in hohem Maße genau sind*

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die neuartige Handhabung der Quadratwurzel, der Turbineneinlaßtemperatur T* is Temperaturanzeigesystem» Die Rückkopplungsschleife der Quadratwurzel dieser Turbineneinlaßtemperabur 1* bildet ein hooh-

009809/0813 wirksames

wirksames Mittel, um die Temperaturanzeige T, herzustellen, ohne daß es erforderlich ist, ein komplexes System zu verwenden, in welchem angenommene Werte von T. ausgewählt werden, um Werte von T. zu berechnen, bis die angenommenen und berechneten Werte gleich sind.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Temperaturanzeigeeinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk! welches einen Kompressor zur Komprimierung von Luft aufweist, wobei dieser Kompressor einen Kompressorrotor hat und welches Verbrennungskammern aufweist, denen komprimierte Luft zugeführt wird, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten, wobei Düsen vorgesehen sind, um den Verbrennungskammern Brennstoff zuzuführen, um diesen Brennstoff mit der Luft zu verbrennen, um heiße Abgasströme zu erzeugen, wobei ferner eine Turbine vorgesehen 1st, die einen Rotor und einen Leitkranz aufweist, um heiße Gase auf den Rotor zum Antrieb des Rotors zu lenken, wobei die Rotoren dee Kompressors und der Turbine miteinander verbunden sind, um einen Triebwerksrotor zu bilden und wobei Fühler vorgesehen sind, um die Temperatur am Einlaß der Turbine anzuzeigen, wobei diese Anzeigeeinrichtungen eine elektrische Schaltung, wie beispielsweise einen Servo-Multiplier aufweisen, um Signale zu erzeugen, die der Triebwerksrotordrehzahl, der Brennkammer-Eintritts-Lufttemperatur, dem statischen Brennkammereintrittsdruck und der Brennst off Strömungsrate zur Brennkammer proportional sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Schaltung vorgesehen ist, die einen Funktionsgenerator und eine Teilerschaltung aufweist, welche Ausgangsspannungssignale von den Signalgebern aufnehmen, um ein Zwischensignal als Punktion der Brennstoffströmung dividiert durch den Turbinen-

   ORIGINAL INSPECTED

   . 009809/08 13 Eintritts-Querschnitt

   Eiiitritts-Quersohnitt und den statischen Eintritt sdruck der Brennkammern und als vorbestimmte Punktion der Triebwerksrotor-Drehzahl und dea atatischen Druckes am Irennkammereintritt zu schaffen, daß elektrische Einrichtungen wie ein Paar parallel geschaltete Widerstände vorgesehen sind, um die Ausgangsspannung des Temperatursignalgebera zur Ausgangsspannung des Zwischensignal-Erzeugungssystems zu addieren, daß eine Quadratwurzelsehaltung, wie beispielsweise ein Servo-Multiplier vorgesehen ist, um aus dem Ausgangssignal der Additionsschaltung ein Signal abzuleiten, welches die Quadratwurzel darstellt, wobei dieses Quadratwurzelsignal einer elektrischen Zeitverzögerungsschaltung zugeführt wird, um in dieses Quadratwurzelsignal eine vorbestimmte Zeitverzögerung einzuführen, wobei danach der Signalausgang des Systems zur Erzeugung des Zwischensignals durch das Quadratwurzelsignal vervielfacht wird, sodaß das Ausgangssignal der Additionsschaltung ganz genau die Temperatur am Eintritt der Turbine darstellt.

   Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Erzeugung des Zwischensignals derart ausgelegt ist, daß ein Ausgangssignal erzeugt wird und zwar als zusätzliche vorbestimnfce Punktion der Brennstoffströmung und zwar derart, daß im Ausgangssignal der Brennkammerwirkungsgrad durch eine vorbestimmte Punktion der Brennstoffströmung und dea statischen Druckes am kammereinlaß kompensiert wird.

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   INSPECTED

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   Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Erzeugung des Zwischensignals derart ausgelegt ist, daß ein Signal während des stationären Betriebs des Triebwerkes erzeugt wird und ein anderes Signal für die Beschleunigung des Triebwerkes, daß das stationäre Signal eine vorbestimmte Punktion der Rotordrehzahl wiedergibt und daß da3 Beschleunigung3signal eine andere vorbestimmte Punktion der Rotordrehzahl wiedergibt, sodaß das Signal des Anzeigesystems ganz genau die Turbineneinlaßtemperaturen über einen weiten Bereich von Triebwerksbetriebszuständen wiedergibt.

   Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anzeigeeinrichtung ferner eine Betätigungseinrichtung zur Betätigung des Systems zur Erzeugung des Zwischensignals aufweist um das Beschleunigungssignal zu erzeugen, wenn das Triebwerk beschleunigt wird.

   Anzeigeeinrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, daduroh gekennzeichnet, daß das System zur Erzeugung des Zwischensignals derart ausgelegt ist, daß ein Signal während de3 stationären Betriebes des Triebwerkes erzeugt wird, welches die vorbestimmte Punktion der Rotordrehsahl und eine vorbeatimmfce Punktion der Einlaßtemperatur der Verbrennungskammer wiedergibt, wobei das Anzeigesystem ein Ausgangssignal erzeugt, welches ganz genau die Einlaßtemperatur der Turbine bei im wesentlichen allen Triabwerks-Betriebszuständen wiedergibt.

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