DE2652730A1

DE2652730A1 - Detektorsystem und verfahren zum feststellen des stroemungsabrisses in einem gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2652730A1
Application number: DE19762652730
Authority: DE
Inventors: Fred Lincoln Elsaesser; Joseph Hamilton Hall
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1975-11-19
Filing date: 1976-11-19
Publication date: 1977-05-26
Also published as: CA1071435A; BE848419A; US4060979A; GB1505790A; NL7612419A; SE7612418L; FR2332427A1

Description

Detektorsystem und Verfahren zum Feststellen des Strömungsabrisses in einem Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zum Feststellen eines Strömungsabrisses in einem Gasturbinentriebwerk und betrifft insbesondere ein Strömungsabrißdetektorsystem, das ständig zwei Triebwerksbetriebsparameter überwacht und, wenn vorbestimmte Bedingungen von beiden vorliegen, ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Strömungsabriß angibt.

Bekanntlich ist der Strömungsabriß eine Erscheinung, die in dem Verdichter eines Gasturbinentriebwerkes auftreten kann und die, wenn sie unvermindert anhalten würde, die Triebwerksleistung beeinträchtigen und/oder zur Zerstörung des Triebwerks führen würde.

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Die Theorie des Strömungsabrisses ist zwar noch nicht vollständig geklärt, es genügt jedoch zu wissen, daß der Strömungs— abriß derjenige Effekt ist, der auftritt, wenn eine ausreichende Anzahl von Verdichterschaufeln in den Strömungsabriß kommen und eine vorübergehende Umkehrung des Luftstroms durch den Verdichter auftritt. Das hat zur Folge, daß der Verdichterauslaßdruck sehr schnell abfällt und manchmal führt es zu kontinuierlichen Druckschwingungen , bis irgendeine Korrektur vorgenommen wird.

Es ist eine Anzahl von Methoden bekannt geworden, mit denen beabsichtigt wird, entweder abzufühlen, wann ein Strömungsabriß bevorsteht, und den Piloten zu warnen, so daß er korrigierend tätig werden kann, oder die Triebwerksregeleinrichtungen so auszulegen, daß der Triebwerksbetriebsbereich, in welchem das Auftreten eines Strömungsabrisses wahrscheinlich ist, vermieden wird.

Beispielsweise begrenzen die Kraftstoffregler die dem Triebwerk während der Beschleunigung zugeführte Kraftstoff menge derart, daß die Beschleunigung entsprechend einem vorbestimmten Beschleunigungsprogramm erfolgt, welches einen Strömungsabriß berücksichtigt. Eine weitere Methode, die gleichzeitig mit diesem Beschleunigungsprogrammierungssystem angewandt werden kann, besteht darin, den Verdichterauslaßdruck zu messen und Verdichterentlüftungsventile immer dann zu öffnen, wenn eine vorbestimmte Verdichterdruckänderung oder -änderungsgeschwindigkeit

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auftritt. Noch ein weiteres Verfahren, das in der US-PS 3 867 717 beschrieben ist, ist die Ausnutzung von berechneten Verdichterdrücken und Turbinen- oder Auslaßtemperaturen als eine Maßnahme zur Feststellung, wann ein Strömungsabriß bevorsteht.

Die oben beschriebenen Strömungsabrißfeststell- und -verhinderungsmaßnahmen können zwar bei gewissen Triebwerken und/oder ihren Anwendungen wirksam sein, sie sind jedoch bei anderen Triebwerken und/oder ihren Anwendungen nicht immer wirksam. Beispielsweise kann es vorkommen, daß bei denselben Werten der berechneten Verdichterdrücke oder ihrer Änderungsgeschwindigkeiten und der Triebwerkstemperaturen oder ihrer Änderungsgeschwindigkeiten ein anderer Triebwerksbetrieb auftreten kann, der zu einer falschen Anzeige eines Strömungsabrisses fuhren würdej oder die Überwachung der Parameter kann nicht ohne weiteres möglich seinjOder die Einführung der Abfühlsonden kann den Gasstrom stören und die Triebwerksleistung beeinträchtigen. Deshalb stellt sich bei der Auswahl der Strömungsabrißkontrolleinrichtung die Frage,welches Strömungsabrißsystem für das betreffende Triebwerk und seine Anwendungen am besten ist, welche Parameter leicht zugänglich sind, welches System den höchsten Grad an Genauigkeit liefert, welches am schnellsten ist und eine Menge weiterer Überlegungen.

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Gemäß der Erfindung werden ständig zwei Triebwerksbetriebsparameter überwacht und, wenn beide einen vorbestimmten Wert haben, erzeugt der Strömungsabrißwarndetektor ein Ausgangssignal.

Das Ausgangssignal kann dann benutzt werden, um dem Flugzeugpiloten ein Warnsignal zu liefern, beispielsweise in Form eines optischen oder akustischen Signals, so daß er korrigierend eingreifen kann, indem er beispielsweise den Gashebel zurücknimmt. Zusätzlich kann dieses Signal benutzt werden, um entsprechend einer der folgenden Möglichkeiten einen Korrekturvorgang einzuleiten:

1 . Verringern der Kraftstoffzufuhr zu dem Triebwerk

2. Absperren des Kraftstoffes

3. Öffnen der Verdichterentlüftungsöffnungen

4. Ändern des Verdichterleitschaufelwinkels

5. Ändern der Flugzeugeinlaßgeometrie

6. Ändern der Triebwerksauslaßgeometrie.

Weiter kann das Signal in einem System verarbeitet werden, das eine automatische Strömungsabrißausregelfolge durch Absperren der Kraftstoffzufuhr, Zünden und erneutes Einleiten der Kraftstoffzufuhr in einem zeitgerechten Ablauf einleitet.

Es hat sich gezeigt, daß die Turbineneinlaßtemperatur oder die Turbinenauslaßtemperatur zuverlässige Parameter zum Anzeigen eines Strömungsabrisses sind, wenn diese Werte übermäßig

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hoch (oder anormal hoch) sind, und daß die Drehzahl des Verdichters (entweder die ND-Verdichterdrehzahl N oder die HD-Verdichterdrehzahi N in einem Zweiwellen-Triebwerk) abnimmt oder zunimmt. Auch in Triebwerken, bei welchen Verdichterentlüftungsventile und insbesondere solche benutzt werden, die in Abhängigkeit von dem Verdichterdruckverhältnis geöffnet werden, kann das Temperatursignal zusammen mit einem Ent— lüftungspositionssignal als eine Angabe über einen Strömungsabriß oder einen bevorstehenden Strömungsabriß benutzt werden.

In beiden Fällen wird gemäß der Erfindung ständig die Turbinentemperatur und entweder die Verdichterdrehzahl oder die Verdichterentlüftungsventilposition überwacht und werden ermittelte Werte dieser Parameter an eine UND-Schaltung angelegt, um ein den Strömungsabriß angebendes Ausgangssignal allein dann zu erzeugen, wenn die Turbineneinlaßtemperatur oder die Turbinenauslaßtemperatur übermäßig hoch ist und die Entlüftungsöffnungen geöffnet sind oder wenn die Turbineneinlaßtemperatur oder die Turbinenauslaßtemperatur übermäßig hoch ist und die Drehzahl N. oder N schnell abnimmt.

Ziel der Erfindung ist es, ein verbessertes Strömungsabrißwarnsystem für ein Axialgasturbinentriebwerk zu schaffen.

Die Erfindung schafft ein Strömungsabrißwarnsystem, bei welchem entweder die Turbineneinlaßtemperatur oder die Turbinenauslaßtemperatur zusammen mit einem weiteren Triebwerksbetriebsparameter allein dann benutzt wird, wenn vorbestimmte Bedingungen

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jedes Signals erfüllt sind.

Weiter schafft die Erfindung ein Strömungsabrißwarnsystem, das ein Ausgangssignal allein dann erzeugt, wenn sowohl die Turbineneinlaßtemperatur als auch die Turbinenauslaßtemperatur übermäßig hoch sind und die Triebwerksentlüftungsöffnungen geöffnet sind.

Ferner schafft die Erfindung ein Strömungsabrißwarnsystem, das ein Ausgangssignal allein dann erzeugt, wenn die Turbineneinlaßtemperatur oder die Turbinenauslaßtemperatur übermäßig hoch ist und die Drehzahl N. oder die Drehzahl N mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit abnimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Ei— findung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 teilweise im Schnitt ein Schema eines

Gasturbinentriebwerks und eines mit ihm verbundenen Strömungsabrißwarnsystems, und

Fig. 2 ein Schema einer weiteren Ausführungs

form eines Strömungsabrißwarnsystems, das mit einem typischen Gasturbinentriebwerk verbunden ist.

Für die Zwecke der Beschreibung steht das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk als ein Beispiel für eine Anzahl unterschiedlicher Triebwerke, bei welchen die Erfindung anwendbar ist. Zu solchen Triebwerken gehören beispielsweise die Trieb-

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werkstypen JT-3D,JT-8D, JT-9D, JT-12 und TF-SO, die von der Firma Pratt & Whitney, einer Tochtergesellschaft der Anmelderin, hergestellt werden, worunter aber keine Einschränkung zu verstehen ist. Es genügt zu wissen, daß die Erfindung dort anwendbar ist, wo der Strömungsabriß ein Problem darstellt, was im allgemeinen bei jedem Axialverdichter der Fall ist.

Im wesentlichen ist das als Beispiel in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk ein Zweiwellen-Axialgasturbinentriebwerk mit einem Triebwerksgehäuse 10, in welchem der ND-Verdichter 12 und seine Antriebsturbine 14 sowie der HD-Verdichter 16 und seine Antriebsturbine 18 drehbar gelagert sind. Der Brennerabschnitt 20, in welchem ihm durch einen Kraftstoffregler (nicht dargestellt) zugemessener Kraftstoff verbrannt wird, erzeugt Gase für den Antrieb der Turbinen, die dann über eine Düse ausgestoßen werden, um Schub zu erzeugen, oder der Schub wird durch einen geeigneten Nachbrenner 24 erhöht.

In Abhängigkeit von dem besonderen Triebwerk und seiner Verwendung kann es einen Einlaßkanal 32 mit veränderlicher Geometrie, verstellbare Verdichterleitschaufeln, die insgesamt mit der Bezugszahl 34 bezeichnet sind, und/oder Verdichterentlüftungsventile haben, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugszahl 36 bezeichnet sind.

Die obige Beschreibung dient lediglich dazu., die allgemeinen Merkmale eines typischen Triebwerkes anzugeben, und, da es nicht Teil der Erfindung ist, mit Ausnahme der Tatsache, daß vorhandene Bauteile benutzt werden können, um die Erfindung auszuführen, wird eine ausführliche Beschreibung der Einfachheit halber weggelassen. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten wird jedoch auf die oben angegebene Literatur der Triebwerke verwiesen

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Gemäß der Erfindung und der Darstellung in Fig. 1 wird kontinuierlich die Turbineneinlaßtemperatur oder die Turbinenauslaßtemperatur durch geeignete Temperaturfühler überwacht, beispielsweise durch Thermoelemente oder Pyrometer, und ihr Wert wird mit einem Bezugswert in einem Vergleicher oder Summierungsknotenpunkt 40 verglichen. Wenn der Wert der Temperatur übermäßig hoch (anormal hoch) ist, d.h. oberhalb des Bezugswertes liegt, wird das Ausgangssignal als eines der Eingangssignale der UND-Schaltung 42 zugeführt.

Ebenso wird die Verdichterdrehzahl, d.h. entweder die Drehzahl N₁ oder die Drehzahl N ständig überwacht und, wenn ihre Änderungsgeschwindigkeit, die durch irgendeine geeignete Geschwindigkeitsberechnungsschaltung berechnet wird, welche als Block 44 dargestellt ist, einen vorbestimmten Änderungsgeschwind igkeitswert überschreitet, wird sie als das andere Eingangssignal an die UND-Schaltung 42 angelegt. Die UND-Schaltung 42, bei welcher es sich um eine bekannte Schaltung handelt, dient dazu, ein Ausgangssignal allein dann zu erzeugen, wenn an ihr beide Eingangssignale anliegen. Wenn das der Fall ist, wird an ihrem Ausgang ein Strömungsabrißsignal abgegeben.

Dieses Signal kann entweder benutzt werden, um dem Flugzeugführer ein Warnsignal (Ton oder Licht) zu liefern oder um einen Korrekturvorgang einzuleiten, indem die Triebwerkseinlaßgeometrie 32 oder die Triebwerksauslaßgeometrie 38, der Winkel der

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Leitschaufeln 34, die Verdichterentlüftungsöffnung 36 geändert oder die Kraftstoffzufuhr abgeschaltet oder verringert wird.

Unter gewissen Umständen kann es erwünscht sein, das Strömungsabrißsignal für eine vorbestimmte Zeit festzuhalten, so daß für den Fall, daß die abgefühlten Parameter schwingen, der Strömungsabrißdetektor wiederholt ein- und ausgeschaltet werden kann. In diesem Fall kann die Steuerung eine geeignete Verriegelungs- und Haltevorrichtung enthalten, die durch den Block 45 dargestellt ist, welche das Strömungsabrißsignal für eine vorbestimmte Zeit festhält. Zeitgeber dieser Art sind bekannt und im Handel erhältlich.

Gemäß Fig. 2, in welcher gleiche Bezugszeichen zuvor beschriebene Elemente bezeichnen, spricht die UND-Schaltung 42 auf das Ausgangssignal des Vergleichers 40 an, bei welchem es sich um eine zu hohe Turbineneinlaßtemperatur oder Turbinen— auslaßtemperatur und die Position der Entlüftungsvorrichtung handelt. In gleicher Weise gibt die UND-Schaltung 42 allein dann an ihrem Ausgang ein Strömungsabrißsignal ab, wenn beide Zustände vorhanden sind.

Aufgrund der Erfindung erfolgt die Strömungsabrißfeststellung durch Überwachen der Turbineneinlaßtemperatur oder der Turbinenauslaßtemperatur und eines weiteren Triebwerksbetriebsparameters und durch Berechnen desselben so, daß immer dann, wenn eine anormale Drehzahlabnahme oder eine anormales Öffnen der Entlüftungsöffnung auftritt, ein Strömungsabrißsignal erzeugt wird.

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Bei manchen Triebwerken kann die Mindestkraftstoffzufuhr unter gewissen Betriebsbedingungen zu hoch eingestellt sein und das Strömungsabrißsignal kann benutzt werden, um die Mindestkraftstoffzufuhr auf einen niedrigeren Wert zurückzustellen, wenn der Verdichter in dem Strömungsabrißzustand ist. Andernfalls könnte die Kraftstoffmenge, die durch das Mindest— kraftst off zufuh rp rog ramm zugelassen wird, bevor sie geändert wird, eine Überhitzung des Triebwerks bewirken, die so weit gehen kann, daß es ausbrennt.

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Claims

Patentansprüche :

1. Strömungsabrißdetektorsystem fur ein Axialgasturbinentriebwerk mit einem Verdichter, einer Turbine, einem Brenner und einer Einrichtung zum Feststellen, wann ein Strömungsabriß bevorsteht, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler, der die Temperatur der Turbine mißt, durch einen Vergleicher zum Erzeugen eines ersten Signals immer dann, wenn die gemessene Temperatur einen Bezugswert überschreitet, durch eine Einrichtung zum Abfuhlen der Drehzahl des Verdichters, durch eine Signalerzeugungseinrichtung, die auf die Drehzahlabfühleinrichtung anspricht und ein zweites Signal immer dann erzeugt, wenn die Drehzahlabfallgeschwindigkeit des Verdichters einen vorbestimmten Wert erreicht, und durch eine Torschaltung, die sowohl auf das erste als auch auf das zweite Signal anspricht und ein Strömungsabrißwarnausgangssignal immer dann erzeugt, wenn sowohl die Drehzahlabfallgeschwindigkeit des Verdichters als auch die Turbinentempe— ratur übermäßig hoch ist«

2. Detektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasturbinentriebwerk ein Zweiwellen-Triebwerk ist und daß die Verdichterdrehzahl die des ND-Verdichters ist.

3. Detektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasturbinentriebwerk ein Zweiwellen-Triebwerk ist und daß die Verdichterdrehzahl die des HD-Verdichters ist.

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4. Detektorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Zeitverzögerungseinrichtung, die auf das Strömungsabrißwarnausgangssignal anspricht, um das Strömungsabrißwarnstgnal für ein vorbestimmtes Zeitintervall festzuhalten und freizugeben.

5 . Detektorsystem für ein Axialgasturbinentriebwerk mit einem Verdichter, einer Turbine, einem Brenner, einer Entlüftungsventilanordnung zum Ablassen von Luft aus dem Verdichter und einer Einrichtung zum Feststellen, wann ein Strömungsabriß bevorsteht, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler zum Messen der Temperatur der Turbine, durch einen Vergleicher zum Erzeugen eines ersten Signals immer dann, wenn die gemessene Temperatur einen Bezugswert überschreitet, durch eine Signalerzeugungseinrichtung, die auf die Position der Entlüftungsventilanordnung anspricht und ein zweites Signal immer dann erzeugt, wenn die Entlüftungsventilanordnung geöffnet ist, um den Verdichter zu entlüften, und durch eine

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Torschaltung, die sowohl auf das erste als auch auf das zweite Signal anspricht und ein Strömungsabrißwarnausgangssignal immer dann erzeugt, wenn sowohl die Temperatur der Turbine anormal hoch ist als auch die Entlüftungsventilanordnung Luft aus dem Verdichter abläßt.

6. Detektorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler die Turbineneinlaßtemperatur abfühlt.

7. Detektorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler die Turbinenauslaßtemperatur abfühlt.

8. Verfahren zum Feststellen eines Strömungsabrisses in einem Axialgasturbinentriebwerk, das einen Verdichter, eine Turbine und einen Brenner aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Messen der Temperatur in der Nähe der Turbine, so daß ein Ausgangssignal immer dann erzeugt wird, wenn diese Temperatur in bezug auf einen normalen Triebwerksbetrieb übei— mäßig hoch ist,

Messen der Drehzahl des Verdichters, so daß ein Ausgangssignal immer dann erzeugt wird, wenn ihre Abfallgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert überschreitet, und

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Verknüpfen der in den Meßschritten gewonnenen Ausgangssignale, so daß ein den Strömungsabriß anzeigendes Signal allein dann erzeugt wird, wenn beide Ausgangssignale vorhanden sind, wobei dieses Signal dann als ein Warnsignal oder zum Einleiten eines Korrekturvorganges benutzt werden kann.

9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Meßschritt gemessene Temperatur die Turbinen— einlaßtemperatur ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8., dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Meßschritt gemessene Temperatur die Turbinenauslaßtemperatur ist.

11 . Verfahren zum Feststellen des Strömungsabrisses in einem Axialgasturbinentriebwerk, das einen Verdichter, eine Turbine, einen Brenner und Verdichterentlüftungsventile enthält, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Messen der Temperatur in der Nähe der Turbine, so daß ein Ausgangssignal immer dann erzeugt wird, wenn diese Temperatur in bezug auf einen normalen Triebwerksbetrieb übermäßig hoch ist,

Messen der Position der Verdichterentluftüngsventile, so daß ein Ausgangssignal immer dann erzeugt wird, wenn die Verdichterentluftüngsventile geöffnet sind, und

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Verknüpfen der in den Meßschritten gewonnenen Ausgangssignale, so daß ein den Strömungsabriß anzeigendes Signal allein dann erzeugt wird, wenn beide Ausgangssignale vorhanden sind, wobei das Signal dann als ein Warnsignal oder zum Einleiten eines Korrekturvorganges benutzt werden kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Verknüpfungsschritt gewonnene Ausgangssignal für ein vorbestimmtes Zeitintervall festgehalten wird, so daß dieses Ausgangssignal nicht vorzeitig freigegeben wird.

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