DE102004025628B4

DE102004025628B4 - Verfahren zum Regeln des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln

Info

Publication number: DE102004025628B4
Application number: DE200410025628
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Metscher; Timo Metzler; Walter Dr. Waschka
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: DE102004025628A1

Abstract

Verfahren zum Regeln bzw. Steuern des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln eines Leitschaufelgitters eines Verdichters, insbesondere eines Hochdruckverdichters, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, wobei der Verstellwinkel in Abhängigkeit von einer aerodynamischen Drehzahl des Verdichters nach einem ersten Verstellgesetz bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellwinkel zusätzlich in Abhängigkeit von einer mechanischen Drehzahl des Verdichters derart bestimmt wird, dass dann, wenn die mechanische Drehzahl des Verdichters einen bestimmten Anteil einer maximal zulässigen mechanischen Drehzahl erreicht hat, der Verstellwinkel in Abhängigkeit von einem zweiten Verstellgesetzes (13) bestimmt wird, wobei das zweite Verstellgesetz (13) einen größeren Verstellwinkel, nämlich einen größeren Öffnungswinkel, generiert als das erste Verstellgesetz (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln bzw. Steuern des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Flugtriebwerke bestehen unter anderem aus einem Fan bzw. einem Lüfter sowie einem Kerntriebwerk, wobei das Kerntriebwerk mindestens einen Verdichter, eine Brennkammer sowie mindestens eine Turbine umfasst. Beim Start eines Flugzeugs muss von dem oder jedem Flugtriebwerk des Flugzeugs ein ausreichender Startschub bereitgestellt werden. Hierzu muss das Kerntriebwerk, insbesondere ein Hochdruckverdichter desselben, mit einer hohen mechanischen Drehzahl betrieben werden. Liegt ein stark beanspruchtes bzw. verschlissenes Flugtriebwerk vor, so sinkt der Wirkungsgrad desselben und dasselbe muss zur Bereitstellung eines ausreichenden Startschubs mit noch höheren mechanischen Drehzahlen betrieben werden. Da jedoch die mechanische Drehzahl des Flugtriebwerks durch strukturmechanische Randbedingungen auf einen Maximalwert limitiert ist, muss das Kerntriebwerk so ausgelegt werden, dass auch bei einem extrem verschlissenen Flugtriebwerk immer ein ausreichender Startschub bereitgestellt werden kann.

Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, in Kerntriebwerken Verdichter, insbesondere Hochdruckverdichter, mit verstellbaren Leitschaufeln einzusetzen. DE 199 01 509 A1 und DE 35 15 995 A1 offenbaren ein Verfahren zur Verstellung der Verstellwinkel der Leitschaufeln eines Leitschaufelgitters des Verdichters, bei welchem der Verstellwinkel anhand eines Verstellgesetzes ausschließlich in Abhängigkeit von der sogenannten aerodynamischen Drehzahl des Verdichters ermittelt wird. Hiermit können Alterungsprozesse des Flugtriebwerks jedoch nur unzureichend ausgeglichen werden.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein Verfahren zum Regeln bzw. Steuern des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln zu schaffen, mit dem Alterungsprozesse ausgeglichen werden können.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Regeln bzw. Steuern des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird der Verstellwinkel zusätzlich in Abhängigkeit von einer mechanischen Drehzahl des Verdichters derart bestimmt, dass dann, wenn die mechanische Drehzahl des Verdichters einen bestimmten Anteil einer maximal zulässigen mechanischen Drehzahl erreicht hat, der Verstellwinkel in Abhängigkeit von einem zweiten Verstellgesetzes bestimmt wird, wobei das zweite Verstellgesetz einen größeren Öffnungswinkel für die Leitschaufeln generiert als das erste Verstellgesetz.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, den Verstellwinkel nicht lediglich in Abhängigkeit von der aerodynamischen Drehzahl des Verdichters, sondern vielmehr zusätzlich auch in Abhängigkeit von der mechanischen Drehzahl des Verdichters zu bestimmen. Bis zu einem gewissen Betrag der mechanischen Drehzahl des Verdichters wird der Verstellwinkel, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ermittelt. Erreicht hingegen die mechanische Drehzahl des Verdichters einen bestimmten Anteil der maximal zulässigen, mechanischen Drehzahl, zum Beispiel in etwa 90 % oder in etwa 95 % der maximal zulässigen, mechanischen Drehzahl, so wird der Verstellwinkel in Abhängigkeit von einem zweiten Verstellgesetz bestimmt, wobei das zweite Verstellgesetz einen größeren Öffnungswinkel für die verstellbaren Leitschaufeln generiert als das erste Verstellgesetz. Vorzugsweise ist der durch das zweite Verstellgesetz generierte Öffnungswinkel in etwa 5 % größer als der durch das erste Verstellgesetz generierte Verstellwinkel.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln bzw. Steuern des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln; und
2 ein weiteres Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln bzw. Steuern des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 in größerem Detail beschrieben.
1 verdeutlicht ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln bzw. Steuern des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln eines Leitschaufelgitters eines Verdichters, insbesondere eines Hochdruckverdichters, eines Flugtriebwerks. In 1 ist auf der horizontal bzw. waagrecht verlaufenden Achse 10 die aerodyna mische Drehzahl n_aero des Verdichters in Prozent und auf der senkrecht bzw. vertikal verlaufenden Achse 11 der Verstellwinkel α der verstellbaren Leitschaufeln in Grad aufgetragen.
Mit der Bezugsziffer 12 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verstellgesetz zur Bestimmung des Verstellwinkels bzw. Öffnungswinkels der Leitschaufeln des Verdichters in Abhängigkeit von der aerodynamischen Drehzahl n_aero des Verdichters aufgetragen. Es liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass der Verstellwinkel bzw. Öffnungswinkel für die Leitschaufeln nicht lediglich in Abhängigkeit von der aerodynamischen Drehzahl des Verdichters bestimmt wird, sondern vielmehr auch in Abhängigkeit von der mechanischen Drehzahl n_mech desselben.
Hierzu wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung so vorgegangen, dass dann, wenn die mechanische Drehzahl n_mech des Verdichters einen bestimmten Anteil der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl n_mech,max desselben erreicht, der Verstellwinkel nicht mehr in Abhängigkeit von dem aus dem Stand der Technik bekannten, mit der Bezugsziffer 12 gekennzeichneten, ersten Verstellgesetzes bestimmt wird, sondern vielmehr in Abhängigkeit von dem mit der Bezugsziffer 13 gekennzeichneten, zweiten Verstellgesetzes. Der Punkt, an welchem die mechanische Drehzahl n_mech des Verdichters den bestimmten Anteil der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl n_mech,max erreicht hat, und an dem das Umschalten vom ersten Verstellgesetz 12 auf das zweite Verstellgesetz 13 erfolgt, ist in 1 mit der Bezugsziffer 14 visualisiert.
Wie 1 entnommen werden kann, werden mithilfe des zweiten Verstellgesetzes 13 größere Öffnungswinkel generiert als mithilfe des ersten Verstellgesetzes 12. Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dann, wenn die mechanische Drehzahl des Verdichters den vorbestimmten Anteil der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl erreicht hat, die verstellbaren Leitschaufeln bzw. das Verstellgitter weiter aufzudrehen bzw. weiter zu öffnen. Bei einer verschlissenen Maschine wird demnach zu Lasten des Verbrauchs durch weiteres Öffnens des Verstellgitters der Schub gesteigert. Hierdurch kann vermieden werden, dass die maximale mechanische Drehzahl des Verdichters überschritten wird.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach im Bereich der mechanischen Drehzahl des Verdichters, der zwischen 0 % und in etwa 90 bzw. 95 % der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl liegt, der Verstellwinkel bzw. Öffnungswinkel für die Leitschaufeln des Verdichters nach dem aus dem Stand der Technik bekannten Verstellgesetz 12 bestimmt. In dem Bereich der mechanischen Drehzahl, der oberhalb von 90 % bzw. 95 % der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl des Verdichters liegt, wird erfindungsgemäß auf das zweite Verstellgesetz 13 umgeschaltet, welches gegenüber dem ersten Verstellgesetz 12 größere Öffnungswinkel bzw. Verstellwinkel für das Leitschaufelgitter des Verdichters generiert. Bevorzugt generiert das zweite Verstellgesetz Öffnungswinkel, die in etwa 2 % bis 10 % größer sind als der für eine vorgegebene aerodynamische Drehzahl durch das erste Verstellgesetz generierte Öffnungswinkel. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, in welcher das zweite Verstellgesetz 13 um in etwa 5 % größere Öffnungswinkel erzeugt als das erste Verstellgesetz 12.
Im dem Fall, in welchem das Umschalten vom ersten Verstellgesetz 12 auf das zweite Verstellgesetz 13 bei 95% der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl erfolgt, und in welchem das zweite Verstellgesetz um 5 % größere Öffnungswinkel erzeugt als das erste Verstellgesetz, gilt demnach:
wobei

α: = Verstellwinkel der Leitschaufeln bzw. des Leitschaufelgitters,
n_mech: = mechanische Drehzahl des Verdichters,
n_mech,max: = maximal zulässige mechanische Drehzahl des Verdichters,
n_aero: = aerodynamischen Drehzahl des Verdichters,
f: = Verstellgesetz.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung erfolgt das Umschalten vom ersten Verstellgesetz 12 auf das zweite Verstellgesetz 13 sowie das Umschalten vom zweiten Verstellgesetz 13 auf das erste Verstellgesetz 12 unter Ausnutzung der in 2 gezeigten Hysteresekurve. Wie 2 entnommen werden kann, wird ausgehend von niedrigen mechanischen Drehzahlen vom ersten Verstellgesetz 12 auf das zweite Verstellgesetz 13 bei einer höheren mechanischen Drehzahl umgeschaltet als ausgehend von hohen mechanischen Drehzahlen vom zweiten Verstellgesetz 13 auf das erste Verstellgesetz 12. Die Drehzahldifferenz Δn_mech zwischen diesen beiden Schaltpunkten beträgt vorzugsweise in etwa 0,5 % bis 1 % der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl des Verdichters, im gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 250–300 Umdrehungen pro Minute (rpm). Hierdurch können Instabilitäten im Triebwerksverhalten vermieden werden.
An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass im Sinne der hier vorliegenden Erfindung das zweite Verstellgesetz selbstverständlich auch einen um einen absoluten Betrag größeren Öffnungswinkel bzw. Verstellwinkel für die verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters erzeugen kann, als das erste Verstellgesetz.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach der Verstellwinkel bzw. Öffnungswinkel für die Leitschaufeln eines Leitschaufelgitters nicht ausschließlich abhängig von der aerodynamischen Drehzahl geregelt bzw. gesteuert, sondern es wird vielmehr als zweiter Parameter die mechanische Drehzahl des Verdichters berücksichtigt.
Vorzugsweise 5 % oder auch 4 % vor Erreichen der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl des Verdichters wird im Sinne der Erfindung auf ein anderes Verstellgesetz umgeschaltet, welches die Leitschaufeln des Leitschaufelgitters um vorzugsweise 5 % weiter aufdreht.
Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung kann der Alterungsprozess eines Flugtriebwerks, insbesondere des Hochdruckverdichters desselben, optimal korrigiert werden. Der Verdichter läuft in den meisten Betriebspunkten bei einem optimalen Betriebspunkt. Nur bei besonders kritischen Bedingungen, wie zum Beispiel beim Takeoff des Flugzeugs, wird zu Lasten des Schubs der Verbrauch gesteigert. Bei einer Neuauslegung eines Flugtriebwerks kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren das Kerntriebwerk kleiner als bisher ausgelegt werden.

Claims

Verfahren zum Regeln bzw. Steuern des Verstellwinkels verstellbarer Leitschaufeln eines Leitschaufelgitters eines Verdichters, insbesondere eines Hochdruckverdichters, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, wobei der Verstellwinkel in Abhängigkeit von einer aerodynamischen Drehzahl des Verdichters nach einem ersten Verstellgesetz bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellwinkel zusätzlich in Abhängigkeit von einer mechanischen Drehzahl des Verdichters derart bestimmt wird, dass dann, wenn die mechanische Drehzahl des Verdichters einen bestimmten Anteil einer maximal zulässigen mechanischen Drehzahl erreicht hat, der Verstellwinkel in Abhängigkeit von einem zweiten Verstellgesetzes (13) bestimmt wird, wobei das zweite Verstellgesetz (13) einen größeren Verstellwinkel, nämlich einen größeren Öffnungswinkel, generiert als das erste Verstellgesetz (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die mechanische Drehzahl des Verdichters in etwa 90% der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl desselben beträgt, vom ersten Verstellgesetz (12) auf das zweite Verstellgesetz (13) umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die mechanische Drehzahl des Verdichters in etwa 95% der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl desselben beträgt, vom ersten Verstellgesetz (12) auf das zweite Verstellgesetz (13) umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verstellgesetz (13) für eine bestimmte aerodynamische Drehzahl einen um einen bestimmten Prozentsatz größeren Öffnungswinkel generiert als das erste Verstellgesetz (12).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das zweite Verstellgesetz (13) generierte Öffnungswinkel in etwa 2% bis 10% größer ist als der durch das erste Verstellgesetz (12) generierte Öffnungswinkel.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das zweite Verstellgesetz (13) generierte Öffnungswinkel in etwa 4% bis 8% größer ist als der durch das erste Verstellgesetz (12) generierte Öffnungswinkel.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das zweite Verstellgesetz (13) generierte Öffnungswinkel in etwa 5% größer ist als der durch das erste Verstellgesetz (12) generierte Öffnungswinkel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von niedrigen mechanischen Drehzahlen das Umschalten vom ersten Verstellgesetz (12) auf das zweite Verstellgesetz (13) sowie ausgehend von hohen mechanischen Drehzahlen das Umschalten vom zweiten Verstellgesetz (13) auf das erste Verstellgesetz (12) unter Ausnutzung einer Hysteresekurve erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahldifferenz (Δn_mech) zwischen zwei Schaltpunkten der Hysteresekurve in etwa 0,5 % bis 1 % der maximal zulässigen mechanischen Drehzahl des Verdichters beträgt.