DE2739434A1 - Anordnung und verfahren zum ermitteln der turbineneinlasstemperatur einer turbinenanlage - Google Patents

Anordnung und verfahren zum ermitteln der turbineneinlasstemperatur einer turbinenanlage

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DE2739434A1 DE19772739434 DE2739434A DE2739434A1 DE 2739434 A1 DE2739434 A1 DE 2739434A1 DE 19772739434 DE19772739434 DE 19772739434 DE 2739434 A DE2739434 A DE 2739434A DE 2739434 A1 DE2739434 A1 DE 2739434A1
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Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.
Anordnung und Verfahren zum Ermitteln der Turbineneinlaßtemperatur einer Turbinenanlage
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Berechnen der Turbineneinlaßtemperatur einer Turbinenanlage, insbesondere eines Gasturbinentriebwerkes.
Bekanntlich wird in der Gasturbinentechnik seit langem versucht, die Turbineneinlaßtemperatur zu messen. Die Probleme, die sich bei dem Ermitteln des tatsächlichen Wertes der Turbineneinlaßtemperatur stellen, sind u.a. die Unzuverlässigkeit von Temperaturfühlern, das unregelmäßige Temperaturprofil, usw. in Verbindung mit einer aggressiven Umgebung. Typischerweise wird dieser Wert vorhergesagt oder empirisch ermittelt, indem die Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit von gewissen vorbestimmten Triebwerksbetriebsparametern programmiert wird. Kraftstoffregler, wie die Typen JFC-25, JFC-60 und andere, die von der Fa. Hamilton Standard, einer Tochterfirma der Anmelderin, hergestellt werden,
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programmieren beispielsweise die Kraftstoffzufuhr entsprechend dem Ausdruck Wf/P3 χ P3, wobei Wf der Kraftstoff in Kilopond pro Stunde und P3 der Verdichterauslaßdruck in 0,07 kp/cm ist. Der Wert Wf/P, stellt sich als eine Funktion der Drehzahl in U/min des rotierenden Triebwerksteils dar, der Wert P3 wird direkt abgefühlt und diese Werte werden direkt multipliziert, um die Kraftstoffzufuhr für den Triebwerksbetrieb im Beharrungszustand zu erhalten. Bei einer Beschleunigung stellt sich der Wert W^/P3 als eine Funktion der Verdichterdrehzahl und des Verdichtereinlaßdruckes oder der Temperatur dar und der abgefühlte Wert P3 wird ebenfalls multipliziert, um die Kraftstoffzufuhr zu begrenzen.
Die Messung der Turbineneinlaßtemperatur wäre ein besserer Parameter zur Temperaturbegrenzung als das oben beschriebene Verfahren sowie jedes andere bekannte System.
Die Erfindung sieht vor, einen Turbineneinlaßtemperaturwert zu bestimmen, indem gewisse Triebwerksparameter abgefühlt und aus ihnen ein Ersatzwert der Turbineneinlaßtemperatur berechnet wird, welcher dem tatsächlichen Wert sehr nahe kommt oder gar gleich diesem ist. Das vorgesehene System beinhaltet gewisse Konstanten, die in jeder Anlage geeicht werden können, um die berechnete Temperatur auf die tatsächliche Temperatur einzunullen. Gemäß der Erfindung wird das Luft:Kraftstoff-Verhältnis berechnet, indem die Kraftstoffzufuhr Wf, der statische Verdichterauslaßdruck P ,, der Verdichterauslaßcjesamtdruck P, und die Verdichterauslaßgesamttemperatur T^ gemessen werden, aus denen dann eine Triebwerksluftzufuhr W berechnet wird. Die
Triebwerkskraftstoffzufuhr Wf wird dann ins Verhältnis gesetzt, um einen Luft:Kraftstoff-Verhältniswert zu bilden. Dieser Verhältniswert wird zusammen mit der Verdichterauslaßtemperatur in die empirische Einzelbrennkammertemperaturanstiegsgleichung
T4 = T3 ♦ K1(K2T3 + K3) f/a + K4
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eingesetzt, die in einen Digital- oder Analogcomputer einprogrammiert ist, um den Wert T. zu berechnen. K1, K-/ K, und K. sind Eichkonstanten und K. kann benutzt werden, um in vorliegendem Fall Abweichungen zwischen dem berechneten und dem tatsächlichen Temperaturwert T. bei einer gegebenen Triebwerksanlage auszugleichen.
Die Erfindung schafft eine verbesserte Anordnung für ein Gasturbinentriebwerk zum Ermitteln der Turbineneinlaßtemperatur.
Weiter schafft die Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk eine Rechenanordnung, die auf gewisse Triebwerksbetriebsparameter anspricht und ein berechnetes Kraftstoff:Luft-Verhältnis liefert, wobei aus diesem berechneten Wert zusammen mit der Brennereinlaßtemperatur ein die Turbineneinlaßtemperatur angebender Ersatzwert berechnet wird. Die Erfindung sieht die Verwendung eines Digital- oder Analogcomputers vor, der so programmiert ist, daß er die empirische Einzelbrennertemperaturanstiegsgleichung berechnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes, und
Fig. 2 ein Blockdiagramm, das Berechnungen veranschaulicht, die zum Ermitteln des Temperaturwertes ausgeführt werden.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Zweikreis-Gasturbinentriebwerk Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm eines Computers 12, der die Temperatur T. aus den abgefühlten Parametern berechnet. Die Erfindung kann selbstverständlich bei allen anderen Arten von Gas-
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turbinenanlagen benutzt werden, bei welchen der Wert der Turbineneinlafltemperatur ermittelt werden soll, und, obgleich die gewählten Parameter einen Kraftstoff/Luft-Verhältniswert liefern, können zur Bestimmung dieses Verhältnisses auch andere Parameter benutzt werden.
Das Gasturbinentriebwerk enthält in herkömmlicher Weise KD- und ND-Verdichter 14 bzw 16, die durch HD- und ND-Turbinen 18 bzw. angetrieben werden. Ein Brenner 22 erzeugt durch Verbrennen des Kraftstoffes Wärme, um die Masse zu beschleunigen, die, nachdem sie die Turbinen angetrieben hat, über einen Auslaßabschnitt 24 austritt. Ein geeigneter Kraftstoffregler 26 dosiert in bekannter Weise den Kraftstoff derart, daß die geeigneten Triebwerksbetriebszustände erreicht werden.
Das Gasturbinentriebwerk und der Kraftstoffregler sind bekannt, bilden keinen Teil der Erfindung und werden der Einfachheit und der Übersichtlichkeit halber hier nicht ausführlich beschrieben. Es genügt anzugeben, daß der Kraftstoffregler die gewünschte Kraftstoffmenge durch einen geeigneten Kraftstoffschieber so dosiert, daß sich der gewünschte Triebwerksbetrieb ergibt.
Gemäß der Erfindung wird die Temperatur T- an dem Brennerauslaß durch eine Ersatzmessung unter Verwendung von Parametern aus dem Brennereinlaß mit der niedrigeren Temperatur und von Eichungen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses des Brenners bestimmt.
Gemäß Fig. 2 kann ein Computer bekannter Art benutzt werden, und, obgleich ein elektronischer Universalrechner bevorzugt wird, braucht die Erfindung nicht darauf beschränkt zu werden. Die Parameter zum Bestimmen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses des Brenners, des Verdichterauslaßgesamtdruckes und des statischen Verdichterdruckes P, bzw. P33/ der Verdichtergesamttemperatur T3 und der Gesamtkraftstoffzufuhr Wf werden alle dein Computer zugeführt, wie angegeben. Die Werte P3 und P53 werden in der Rechen-
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einheit 30 dividiert und das Ausgangssignal wird einem geeigneten Funktionsgenerator 32 zugeführt, in welchem dieser Wert hinsichtlich des Druckes und der Temperatur an dem Brennereinlaß korrigiert wird. Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 32 erzeugt einen korrigierten Luftzufuhrwert (W Jt,) , der in einer
a » j
P3 Recheneinheit 34 multipliziert wird, um den Wert P, herauszumultiplizieren. Der Luftzufuhrwert W wird dann erhalten, indem der
Wert TT3 in einer Dividierschaltung 38 herausdividiert wird, wobei der Wert VtT durch Messen der Temperatur T3 und Radizieren in einer Quadratwurzelrecheneinheit 36 gebildet wird. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis f/a wird gebildet, indem der Wert W, durch den Wert W in einer Dividierschaltung 40 dividiert wird. Der Kraftstoffzufuhrwert Wf wird ermittelt, indem die Schieberposition des Kraftstoffreglers 26 in bekannter Weise abgefUhlt und der Wert durch einen handelsüblichen Auflöser in ein Signal umgewandelt wird, das der Computer verarbeiten kann.
Aus den Werten f/a und T3 wird dann die Temperatur T4 durch die Berechnung erhalten, die durch den Computer 44 ausgeführt wird, welcher im wesentlichen die empirische Einzelbrennkammertemperaturanstiegsgleichung löst:
T4 = T3 + K1(K2T3 + K3) f/a ♦ K4
Wie vorstehende Darlegungen zeigen, stellt der aus dieser Berechnung erhaltene Wert T4 einen Ersatz für die direkte Messung des tatsächlichen Viertes von T4 dar. Offenbar können die Bemessungskonstanten K1, K_, K3 und K4 so gewählt werden, daß der tatsächliche Wert T4 durch Einstellungen, die vorgenommen werden, wenn sich die Anordnung auf dem Meßgerüst befindet, bevor sie in ein Flugzeug eingebaut wird, eingenullt wird.
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Claims (7)

  1. Patentansprüche :
    Γ1J Anordnung zum Ermitteln der Turbineneinlaßtemperatür einer Turbinenanlage, insbesondere eines Gasturbinentriebwerkes, mit einem Brenner und einer durch die aus dem Brenner austretenden Abgase angetriebenen Turbine, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ermitteln der Temperatur (T-) der Abgase unmittelbar vor deren Eintritt in die Turbine (18, 20), wobei diese Einrichtung auf das Kraftstoff-zu-Luft-Verhältnis des Brenners (22) und auf die Temperatur (T3) an dem Einlaß des Brenners anspricht und zwei Signale erzeugt, und durch eine Einrichtung (12) zum Vereinigen der beiden Signale und zum Erzeugen eines Signals, das den Wert der Abgastemperatur (T4) angibt.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Eichfaktor zum Einstellen des die Abgastemperatur angebenden Signals für eine gegebene Turbinenanlage (10).
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet.
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    ORIGINAL INSPECTED
    daß, wenn ein Verdichter vorhanden ist, eines der beiden erstgenannten Signale eine Funktion des statischen Verdichterauslaßdruckes und des Verdichterauslaßgesamtdruckes, der Verdichterauslaßtemperatur und der Kraftstoffzufuhr zu dem Brenner (22) ist.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die das die Brennerabgastemperatur angebende Signal erzeugt, ein Computer (44) ist, der die folgende Gleichung löst:
    T3 + K1 (K2T3 + K3) f/a + K4 = T4
    wobei T^ die Gesamtbrennereinlaßtemperatur, f/a das Kraftstoff-zu-Luft-Verhältnis an dem
    Brenner ist,
    K1, K-, K3, K4 Bemessungskonstanten sind, und T4 die Brennerabgas- oder Turbineneinlaßtemperatur ist
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (30), die auf den Verdichterauslaßgesamtdruck (P3) und auf den statischen Verdichterauslaßdruck (Pg3) anspricht und ein erstes Signal (P-j/PJ erzeugt, das deren Verhältnis angibt, durch einen Funktionsgenerator (32), der auf das erste Signal (P0,/P,) anspricht und ein zweites Signal (W VtJP1) erzeugt,
    £> j j et j O
    das die korrigierte Luftzufuhr zu dem Brenner (22) der Anlage (10) angibt, durch eine weitere Recheneinheit (38), die auf das zweite Signal, den Verdichterauslaßgesamtdruck (P,) und die Verdichterauslaßgesamttemperatur (T3) anspricht und ein drittes Signal (W_) erzeugt, das die Luftzufuhr zu dem Brenner angibt,
    Cl
    durch noch eine weitere Recheneinheit (40), die auf das dritte
    Signal (W ) und auf die Brennstoffzufuhr (W,) zu dem Brenner a ι
    anspricht und ein viertes Signal (f/a) erzeugt, das das Kraftstoff/Luft-Verhältnis an dem Brenner angibt, und durch eine Einheit (44), die auf das vierte Signal und die Verdichterauslaßgesamttemperatur (T3) anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Turbineneinlaßtemperatur (T4) angibt.
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  6. 6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des dritten Signals ein Computer vorgesehen ist, der den Verdichterauslaßgesamtdruck (P.) und die Verdichteraus laßgesamttemperatür (T3) multipliziert, dividiert und radiziert.
  7. 7. Verfahren zum Ermitteln der Turbineneinlaßtemperatur, insbesondere eines Gasturbinenwerkes, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    Berechnen des Verhältnisses des statischen Verdichterauslaßdruckes zu dem Verdichterauslaßgesamtdruck,
    Erzeugen einer Funktion des in dem Berechnungsschritt erhaltenen Verhältnisses, die die korrigierte Luftzufuhr zu dem Brenner angibt.
    Umrechnen des in dem Funktionserzeugungsschritt erhaltenen Luftzufuhrwertes durch Eliminieren der Korrekturwerte,
    Dividieren des in dem Umrechnungsschritt des Luftzufuhrwertes erhaltenen Wertes durch die tatsächliche Kraftstoffmenge, die dem Triebwerk zugemessen wird, und
    Berechnen des Wertes der Turbineneinlaßtemperatur durch Lösen folgender Gleichung:
    T4 * T3 + K1(K2T3 + K3) f/a + K4
    wobei T3 die Gesamtbrennereinlaßtemperatur, f/a das Kraftstoff-zu-Luft-Verhältnis an dem Brenner
    ist
    Κ., K2/ K3, K4 Bemessungskonstanten sind, und T4 die Turbineneinlaßtemperatur ist.
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