DK148364B - Reguleringssystem til turbofanmotor, som er forsynet med en efterbraender - Google Patents

Description

1A 8 3 6 A

Den foreliggende opfindelse angår et reguleringssystem til en turbo-fanmotor, som er udstyret med en efterbrænder, som optager både kold fanluft og varm kerneluft, og hvori der er er anbragt brændstofdyser både i varmluftstrømmen og i den kolde luftstrøm.

5 Fra USA patentskrift nr. 3.054.254 kendes en brændstofregulator til en turbofanefterbrænder, i hvilken brændstofstrømmen til efterbræn-deren initielt proportioneres med fanluftstrømmen og derefter deles mellem den interne efterbrænder og en by-pass kanal eller brænder som funktion af brændertrykket, idet brænd stofstrømmen til den 10 interne efterbrænder og til by-pass-brænderen forøges selektivt, indtil et forudbestemt brændstof/luftforhold nås.

Fra USA patentskrift nr. 3.020.717 kendes en brændstofinjektionsanlæg til en jetmotor, i hvilket det statiske tryk grænsende op til hver dyse i anlægget afføles til sekundær regulering af brændstofstrømmen 15 gennem dysen, idet brændstofstrømmen primært reguleres ved hjælp af en konventionel brændstofregulator.

Fra tysk fremlæggelsesskrift nr. 2.732.039 kendes en brændstofregulator til en efterbrænder, i hvilken brændstofstrømmen reguleres som en funktion af fanindløbstemperaturen og kompressorafgangstrykket 20 for stabilisering af efterbrænderdriften.

Hidtil er det brændstof, der tilføres efterbrænderen, blevet reguleret ved benyttelse af en motorreguleringsparameter, som opstiller en værdi, der er et udtryk for W^/P, hvor er brændstofstrømmen i kg/time, og P er kompressorens afgangslufttryk i Pa. Denne værdi 25 tjener egentlig til en grov bestemmelse af forholdet mellem brændstof og luft i efterbrænderen, men anses i realiteten ikke for at være en gyldig indikation for dette. Selv om en sådan reguleringsparameter til mange formål er praktisk og fremdeles anvendes, har den mangler, idet den ikke egner sig til at tage hensyn til nogen af de ugunstige 30 tilstande, som optræder i forbindelse med efterbrændere.

Det har ifølge opfindelsen vist sig, at efterbrænderens effektivitet kan forøges ved regulering af brændstoffet til efterbrænderens kolde 2 148364 og varme sektioner ved frembringelse af et signal for hver af brændstofværdierne i disse sektioner, hvilket signal er repræsentativt for forholdet mellem varmt og koldt brændstof og luft. Ved en udførelsesform syntetiseres luftstrømmen i den varme sektion (kerneluft) og 5 luftstrømmen i den kolde sektion (fan by-pass luft), og forholdet mellem brændstof og luft beregnes for regulering af de segmenterede brændstofdyser i hver af sektionerne. Ved en anden foretrukket udførelsesform syntetiseres kerneluftstrømmen tilsvarende, og den totale motor luftstrøm syntetiseres. De to substraheres, og differensen 10 er den kolde luftstrøm. Tilsvarende beregnes forholdet mellem brændstof og luft for opnåelse af en bedre brændstofreguleringsplan til efterbrænderen. Det faktum, at forholdet mellem brændstof og luft anvendes som regulerende parameter, giver en lang række af potentielle forbedringer af efterbrænderen. Eksempelvis kan man derved 15 undgå rumlen i efterbrænderen, dårlig tænding og holdbarhedsbe-grænsninger. Der kompenseres for transiente variationer i by-pass forholdet, og der opretholdes et konstant forhold mellem brændstof og luft.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe et regule-20 ringssystem til forbedring af effektiviteten i en efterbrænder ved forbedring af reguleringen af brændstofstrømmen til den varme og den kolde sektion i efterbrænderen, som er monteret efter en turbofan-motor.

Ifølge ét træk ved opfindelsen forbedres efterbrænderens effektivitet i 25 en turbofanmotor, i hvilken efterbrænderen optager både kold fanluft og varm kerneluft, og hvor der i efterbrænderen er anbragt brændstofdyser i både den varme og den kolde luftstrøm, ved hjælp af et reguleringssystem, der omfatter første funktionsgenererende organer, som reagerer på motordriftsparametre for frembringelse af et første og 30 et andet signal, som er repræsentative for den varme luftstrøm og den kolde luftstrøm, andre funktionsgenererende organer, som reagerer på organer, som indikerer den af motoren udviklede effekt, for frembringelse af et tredje og et fjerde signal, som simulerer forholdet mellem brændstof og luft i den varme og i den kolde luftstrøm, samt 35 organer, som reagerer på det første og det tredje signal og på det 14 8 3 6 Λ 3 andet og det fjerde signal, for frembringelse af et udgangssignal, som er repræsentativt for den fastlagte brændstofstrøm til brændstofdyserne, der er anbragt i den varme luftstrøm og i den kolde luftstrøm.

5 I et system til en turbofanmotor, der omfatter turbiner og kompressorer i et sådant tospoleforhold, at den nævnte fan drives af den mindre kraftige turbine, er motordriftsparametrene i overensstemmelse med opfindelsen fordelagtigt fanturbineindløbstemperaturen samt et tryk og en temperatur i luften i et kompressortrin.

10 I et sådant reguleringssystem til en turbofanmotor, som er forbundet med en-arm til valg af den effekt, der skal frembringes af motoren, foretrækkes det, at de effektindikerende organer er stillingen af denne arm.

I overensstemmelse med en speciel udførelsesform for et sådant system 15 til en turbofanmotor, der omfatter turbiner og kompressorer i tospoleforhold, hvor motordriftsparametrene er fanturbineindløbstemperaturen samt et tryk og en temperatur i luften i et kompressortrin, forbedres efterbrænderens effektivitet yderligere ved, at systemet omfatter organer, der reagerer på en motordriftsparameter for yderligere re-20 gulering af de første funktionsgenererende organer, samt fordelagtigt yderligere organer, som reagerer på en motordriftsparameter for yderligere regulering af de andre funktionsgenererende organer. Denne motordriftsparameter for de yderligere organer kan i overensstemmelse med en fordelagtig udførelsesform for opfindelsen være brændertryk-25 ket for motorens arbejdsmedium.

I overensstemmelse med en fordelagtig udførelsesform for reguleringssystemet ifølge opfindelsen forbedres efterbrænderens effektivitet ved, at de første funktionsgenererende organer omfatter første organer, der reagerer på fanturbineindløbstemperaturen og brændertryk-30 ket for frembringelse af det første signal, der er repræsentativt for den varme luftstrøm, og andre organer, som reagerer på en funktion af kompressortrinets afgangstryk og kompressortrinets temperatur på fanafgangen for frembringelse af det andet signal, der er repræsentativt for den kolde luftstrøm.

1Λ 8 3 6 Λ 4 I overensstemmelse med denne fordelagtige udførelsesform for reguleringssystemet ifølge opfindelsen foretrækkes det, at det første signal refererer til en konstant, som er repræsentativ for motorens termodynamiske karakteristikker.

5 I overensstemmelse med et yderligere træk ved opfindelsen forbedres efterbrænderens effektivitet i en turbofanmotor ved, at de første funktionsgenererende organer omfatter første organer, der reagerer på fanturbineindløbstemperaturen og brændertrykket for frembringelse af det første signal, der er repræsentativt for den varme luftstrøm, 10 og andre organer, som reagerer på en funktion af kompressortrinets afgangstryk og kompressortrinets temperatur på fanafgangen for frembringelse af det andet signal, der er repræsentativt for den kolde luftstrøm.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvis-15 ning til tegningen, hvor fig. Ί viser en skematisk illustration af en fan-/jetmotor med efter-brænder, fig. 2 et blokdiagram, som repræsenterer opfindelsens grundide, fig. 3 et blokdiagram, som viser en udførelsesform for reguleringssy-20 stemet ifølge opfindelse, og fig. 4 et blokdiagram, som viser en anden udførelsesform for reguleringssystemet ifølge opfindelsen.

Selv om opfindelsen er vist og beskrevet i forbindelse med en tospolet turbofanmotor med aksial strømning og med en efterbrænder, er det 25 klart at opfindelsen lige såvel kan anvendes i forbindelse med andre typer af motorer. Som det vil fremgå af den efterfølgende beskrivelse, er opfindelsen i hovedsagen rettet på fastlæggelse af brændstofstrømmen til efterbrænderen på en sådan måde,. at brændstoffet til varmluft- og koldluftdelene i efterbrænderen reguleres uafhængigt af 30 hinanden som funktion af forholdet mellem brændstof og luft i den varme og den kolde sektion. Det kan derfor siges, at opfindelsen kan anvendes i forbindelse med enhver motor, i hvilken efterbrænderen tilføres varme og kolde luftstrømme. Som en fagmand på området vil forstå, antages det, at forholdet mellem brændstof og luft i en jetmo- 14836/» 5 tor uden fan til blanding af koldere strømme desuden vil kunne syntetiseres på en sådan måde, at der opnås en meget god brændstofdosering til efterbrænderen.

I fig. 1 er der vist en motor 10 med et indløb 12, en fan/kompressor-5 og højtrykskompressorsektion 14, en efterbrændersektion 16, en turbinesektion 18 samt en blander 20. En efterbrænder 22, som forøger den reaktionskraft, der frembringes i kernemotoren, er forbundet med den bageste ende og omfatter af segmenter sammensatte brændstofdyser 24, der er monteret mellem blanderen 20 og flammeholdere 10 26. Den luft, der strømmer ud fra lavspolefan/kompressoren opdeles således, at en del føres til kernemotoren, og resten passerer uden om kernemotoren og føres udefter i en ringformet passage eller kanal 28.

Det er klart, at en del af efterbrænderen vil modtage en .varm strøm, medens en anden del vil modtage en kold strøm. Som det vil blive 15 beskrevet mere detaljeret nedenfor, beregnes under anvendelse af målte motor parametre og kendte parameterforhold luftstrømmen I kernestrømmen (varm) og strømmen i kanalen 28 (kold). Når disse værdier er blevet fastlagt, kan brændstoffet til brændstofdyserne reguleres ved fastlæggelse af forholdet mellem varme og kolde strømme af 20 brændstof og luft. Dette resulterer i regulering af brændstofstrømmen til efterbrænderen, og der tages hensyn til alle motores krav under hele luftfartøjets flyvetid. De ved fastlæggelsen af forholdet mellem brændstof og luft opnåede fordele optimerer yderligere motorens ydelse, forbedrer jævne brændstof segmentoverføringer og formindsker 25 rumlen i efterbrænderen.

Opfindelsen kan bedst beskrives ved, at der først henvises til fig. 2, der viser den grundlæggende idé i opfindelsen. En blok 30 repræsenterer de beregninger, som er udført ved hjælp af affølte motorparametre for opnåelse af syntetiserede luftstrømningsværdier for de 30 kolde og varme strømme. Disse værdier tilføres multiplikatorer 32 og 34, som multiplicerer det beregnede forhold mellem brændstof og luft for henholdsvis den kolde og den varme strøm. Når motorens karakteristikker er kendt, er det muligt at opnå en simuleret værdi for det faktiske forhold mellem brændstof og luft i begge strømme ved at de-35 tektere effektreguleringsarmens stilling. Det er klart, at de enkelte 6 148364 motormodefler vil have forskellige karakteristikker, og det kan være ønskeligt at styre de forskellige driftsbetingelser i efterbrænderen, fx forstærkerrumlen, opstartningskrav o.I., som alle kan tages i betragtning ved at tildele effektregulerings-armsignalet en egnet para-5 meter. Blokke 36 og 38 repræsenterer egnede funktionsgeneratorer, hvis udgangssignaler er et signal for forholdet mellem brændstof og luft F/A for både den varme og den kolde strøm som en funktion af effektreguleringsarmens stilling PLA. Denne værdi kan som vist tildeles en vilkårlig parameter for opnåelse af ønskede reguleringskrav.

10 Udgangssignalerne for multiplikatorerne 32 og 34 er de fastlagte værdier for brændstofstrømmen for både den kolde og den varme strøm.

Selv om det ikke er vist, anvendes disse signaler derefter til regulering af brændstofstrømmen til de segmentopbyggede dyser i efterbrænderen.

15 Fig. 3 viser et blokdiagram af en af de foretrukne udførelsesformer og angiver mere detaljeret, hvordan forholdet mellem brændstof og luft kan beregnes. Som det fremgår, frembringer en funktionsgenerator 40 et udgangssignal, som er repræsenteret ved en blok 42, og som re repræsentativt for turbineindløbstemperaturen T-j-4 i højtryks- 20 delen, og som er en funktion af turbineindløbstemperaturen i lavtryksdelen Ftit. Brændertrykket PB multipliceres i en passende multiplikator med en konstakt K. K er en værdi, som opnås ved addition af den komprimerbare strømningsparameter, som opnås ved den nedenfor angivne formel, strømningsarealet i højtryksturbinen og den 25 procentandel af køleluft, der strømmer fra kompressoren og føres tilbage i kernestrømmen. Det er klart, at procentandel af køleluft, der strømmer fra kompressoren og føres tilbage i kernestrømmen. Det er klart, at procentandelen af køleluft vil være nul, dersom der ikke benyttes nogen køling.

30 Parameteren for den komprimerbare strømning for en gasturbine er velkendt, og det ville kræve en omfattende matematisk beregning for at vise udledningen af den. Det er tilstrækkeligt at sige, at den opnås ved løsning af følgende ligning: 7 14 S 3 6 Λ 1: wa'/^ MvWT \ίΓ+Ψ· *

ΑΡφ ( 1 + Y- 1 Μ2) Y

2 γ-l

Symboler

Wa = luftstrøm i kg/sek.

Tj = total temperatur, °C

A = areal 5 Py = totalt tryk kg/m absolut X = forhold for specifik varme M = Mach-tal

R = gaskonstant m/kg/kg°C

g = gravitationskonstant 10 FTIT = fanturbineindløbstemperatur

Tj4 = temperaturen i højtryksturbineindløbet ΔΡ = trykforskel over fan og kompressorer PGC = gasgeneratorkompressortryk PTGC = totalt gasgeneratorkompressortryk 15 TT2.5C = totaltemperatur i 2,5-station (mellem fan/kompressorsekti-on og højtrykskompressorsektion) PS2 = statisk tryk i indløbet til fan/kompressorsektion PT2 = totalt tryk i indløbet til fan/kompressorsektion PB = brændertryk 20 PLA = effektreguleringsarmens vinkel TT2 = total temperatur i indløbet til fan/kompressorsektion PT6M = totalt tryk ved efterbrænderens brændstofdysesektion F/A = forholdet mellem brændstof og luft MV = brændstofdoseringsventil 25 WATOT = total luftstrøm 14836Λ 8

Udgangssignaler fra multiplikatoren 44 tilføres en egnet opdeler 46, som opdeler kvadratroden af Ty4-signalet, der er blevet bearbejdet i en kvadratrodskalkulator, der er angivet ved en blok 48. Udgangssignalet fra opdeleren 46 er derfor en værdi, der svarer til luft-5 strømmen Wa i kernen eller den varme strøm.

Den kolde luftstrøm Wa syntetiseres på tilsvarende måde af en logisk kreds, hvis udgangssignal svarer til den koide luftstrøm Wa. En signalgenerator 50 frembringer et udgangssignal, der er repræsentativt for trykket i en motorstation 6, hvor der er anbragt brænd stof dy ser 10 24. Følgelig affkøles og bearbejdes der et tryk, som kan være ΔΡ/Ρ i denne station således, at der dnnes et signal, som er repræsentativt for brændstoftrykket ved stationen. Denne værdi multipliceres derefter med et signal, som er repræsentativt for det totale tryk PT6 ved denne station og den totale temperatur ved indløbet Ty 2,5. PT6 15 multipliceres med en konstant Z, der er lig med stationen 6's strømningsareal, og divideres derefter med kvadratroden af værdien Ty 2,5 i en opdeler 52. Udgangssignalerne fra generatoren 50 og opdeleren 52 multipliceres ved hjælp af en egnet multiplikator 54, og dette produkt er repræsentativt for den simulerede kolde luftstrøm.

20 Den logiske kreds beregner forholdet mellem brændstof og luft, som det er beskrevet nedenfor. PLA afføles og indføres i funktionsgeneratorer 58 og 60. Som angivet forstærkes dette signal med brændertrykket PB. Funktionsgneratoren danner således et syntetiseret forhold mellem brændstof og luft for den varme strøm. Begge disse 25 signaler multipliceres derefter med de syntetiserede luftstrømme for den varme og den kolde strøm i henholdsvis en multiplikator 64 og en multiplikator 66. Udgangssignalet fra multiplikatoren 66 er repræsentativt for den fastlagte brændstofstrøm for den varme strøm, og udgangssignalet fra multiplikatoren 64 er den fastlagte brændstofstrøm 30 for den kolde strøm.

Fig. 4 viser et eksempel på en anden udførelsesform for et reguleringssystem ifølge opfindelsen. Som angivet ovenfor bliver hver af de syntetiserede luftstrømme for den varme og den kolde strøm beregnet uafhængigt af hinanden. Ifølge denne udførelsesform beregnes luft- 9 1Λ836Λ strømmen for kernemotoren (varm) og den totale luftstrøm fra motoren, og differencen, den kolde strøm, fremkommer ved, at den ene subtraheres fra den anden.

En blok 70 angiver en funktionsgenerator, som fra det velkendte 5 kompressor kort frembringer et signal, som er repræsentativt for den totale luftstrøm WaTOT. Disse beregninger er velkendte, og for simpelheds og letheds skyld er detaljer vedrørende beregningen udeladt her. Det er tilstrækkeligt at sige, at for linier for konstant hastighed er det forholdsvis simpelt, at opnå motorluftstrømmen fra 10 kompressorkortet, dersom den korrigerede hastighed og kompressortrykket er kendt. En blok 72 angiver en anden funktionsgenerator, der frembringer totaltrykket PT2 i indløbet til kompressoren, og det er unødvendigt at foretage måling af det totale tryk, idet det er lettere at måle det statiske tryk og omforme dette til en værdi for 15 totaltrykket.

Kerneluftstrømmen beregnes på tilsvarende måde som. ved de beregninger, der er vist i fig. 3. Blokken 72 repræsenterer den varme luftstrøm Wa kerne syntetiseret ved beregning af PT6 og PTiT. 'Som i fig. 3 syntetiseres forholdet mellem brændstof og luft for både den 20 varme og den kolde strøm. Dette er repræsenteret ved blokke hhv. 76 og 78. Som angivet reagerer blokkene 76 og 78 på PLA, som forstærkes med TT2- og PT6-værdierne, hvilket ikke blot giver den ønskede fastlæggelse af forholdet mellem brændstof og luft, men også formindsker rumlen og forøger levetiden. Funktionsgeneratoren 70’s udgangs-25 signal WATOT adderes med funktionsgeneratoren 72's udgangssignal i et summationsknudepunkt 80. Derefter resulterer subtraktion af værdierne for den varme luftstrøm fra den totale luftstrøm i værdien for den kolde luftstrøm. Denne værdi multipliceres med udgangssignalet for dét beregnede, syntetiserede forhold mellem brændstof og luft 30 ‘for den kolde strøm i en multiplikator 82 til dannelse af syntetiseret koldstrøm-brændstofstrømsignal.

Den syntetiserede luftstrøm for den varme strøm multipliceres med det syntetiserede forhold mellem brændstof og luft ved hjælp af en multiplikator 86 til frembringelse af et varmestrøm-brændstofstrømsignal for

Claims (3)

148364 ίο fastlæggelse af den varme og den kolde luftstrøm, hvilket muliggør fastlæggelse af et forhold mellem brændstof og luft.

1. Reguleringssystem til en turbofanmotor, som er udstyret med en 5 efterbrænder C22), som optager både kold fanluft og varm kerneluft, og hvori der er anbragt brændstofdyser (24) både i varmfuftstrømmen og i den kolde luftstrøm, kendetegnet ved første funktionsgenererende organer (30, 40, 46, 50, 54), som reagerer på motordriftsparametre for frembrin-10 gelse af et første og et andet signal, som er repræsentative for den varme luftstrøm og den kolde luftstrøm, andre funktionsgenererende organer (36, 38, 58, 60), som reagerer på organer, som indikerer den af motoren udviklede effekt, for frembringelse af et tredje og et fjerde signal, som simulerer forholdet mellem brændstof og luft i den 15 varme og den kolde luftstrøm, samt organer (32, 34, 66, 64), som reagerer på det første og det tredje signal og på det andet og det fjerde signal for frembringelse af et udgangssignal, som er repræsentativt for den fastlagte brændstofstrøm til brændstofdyserne (24), der er anbragt i den varme luftstrøm og i den kolde luftstrøm.

2. System ifølge krav 1 og til en turbofanmotor, der omfatter turbiner (18) og kompressorer (14) i et sådant tospoleforhold, at den nævnte fan drives af den mindre kraftige turbine, kendetegnet ved, at motordriftsparametrene er fanturbine-indløbstemperaturen samt et tryk og en temperatur i luften i et kom-25 pressortrin.

3. System ifølge krav 2 og til en turbofanmotor, som er forbundet med en arm til valg af den effekt, der skal frembringes af motoren, kendetegnet ved, at de effektindikerende organer er stillingen af denne arm.