DE102018215078A1

DE102018215078A1 - Triebwerk mit Temperatursensor in einem Strömungspfad einer im Fehlerfall Fluid höherer Temperatur führenden Strömung und Verfahren zur elektronischen Detektion einer Störung im Betrieb eines Triebwerks

Info

Publication number: DE102018215078A1
Application number: DE102018215078.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian SCHREWE; Michael Friedrich
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2020-03-05
Also published as: US20200141262A1

Abstract

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Triebwerk (T), mit- mindestens einem Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8, 90) innerhalb des Triebwerks (T), über das in einem störungsfreien Betrieb des Triebwerks (T) wenigstens eine Sollströmung (f1, f3) von Fluid entlang einer ersten Strömungsrichtung geleitet wird und über das bei einer Störung innerhalb des Triebwerks (T) eine Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) von Fluid höherer Temperatur als das Fluid der Sollströmung entlang einer zu der ersten Strömungsrichtung verschiedenen zweiten Strömungsrichtung geleitet wird, und- mindestens einem Temperatursensor (S), der in einem Strömungspfad sowohl der Sollströmung (f1, f3) als auch der Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) liegt.

Description

Die vorgeschlagene Lösung betrifft ein Triebwerk mit mindestens einem Temperatursensor in einem Strömungspfad einer im Fehlerfall Fluid mit höherer Temperatur führenden Strömung und ein Verfahren zur elektronischen Detektion einer Störung im Betrieb eines Triebwerks.
Es ist weithin bekannt, dass etwaige Störungen im Betrieb eines Triebwerks schnell und mit hoher Sicherheit detektierbar sein müssen, um insbesondere während des Fluges auf etwaige Störungen am Triebwerk zeitnah reagieren und insbesondere einen Piloten des mit dem Triebwerk ausgestatteten Flugzeugs entsprechend alarmieren zu können. Häufig sind etwaige Störungen im Betrieb des Triebwerks nicht ohne Weiteres sensorisch detektierbar, sodass regelmäßig Komponenten aufwendig und kostenintensiv für die Tolerierung auch größerer Fehler über einen bestimmten Zeitraum ausgelegt werden. Dies betrifft insbesondere Störungen bei einer etwaigen Dichtung oder Kühlung von hochbelasteten Komponenten durch entsprechende Luftströmungen innerhalb eines Triebwerks. Fallen etwaige zur Dichtung oder Kühlung genutzte Strömungen ganz oder teilweise aus, kann dies zu einem vergleichsweise schnellen temperaturbedingten Versagen hochbelasteter Komponenten und damit zum Ausfall des Triebwerks führen. Hierbei können bereits vergleichsweise geringe Anstiege in der Temperatur entscheidenden Einfluss auf die Reduktion der Lebensdauer von Komponenten des Triebwerks haben.
Es besteht somit Bedarf für ein in dieser Hinsicht verbessertes Triebwerk und insbesondere ein Verfahren zur elektronischen Detektion einer Störung im Betrieb eines Triebwerks.
Diese Aufgabe ist sowohl mit einem Triebwerk nach Anspruch 1 als auch mit einem Verfahren nach Anspruch 15 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ist ein Triebwerk vorgesehen, das mindestens ein Strömungsführungselement innerhalb des Triebwerks umfasst, über das in einem störungsfreien Betrieb des Triebwerks wenigstens eine Sollströmung von Fluid entlang einer ersten Strömungsrichtung geleitet wird und über das bei einer Störung innerhalb des Triebwerks eine Fehlerströmung von Fluid mit höherer Temperatur als das Fluid der Sollströmung entlang einer zu der ersten Strömungsrichtung verschiedenen zweiten Strömungsrichtung geleitet wird. Ferner umfasst das Triebwerk mindestens einen Temperatursensor, der in einem Strömungspfad sowohl der Sollströmung als auch der Fehlerströmung liegt.
Die vorgeschlagene Lösung geht hierbei von dem Grundgedanken aus, dass über die Positionierung mindestens eines Temperatursensors in einem Strömungspfad, entlang dem sowohl eine Sollströmung als auch eine Fehlerströmung mit abweichender Strömungsrichtung geführt wird, ein etwaiger Störungs- oder Fehlerfall mit höherer Genauigkeit detektiert werden kann. So geht bei der vorgeschlagenen Lösung mit einem etwaigen Fehler im Betrieb des Triebwerks nicht nur eine Temperaturerhöhung einher, sondern auch ein Richtungswechsel der an dem mindestens einen Temperatursensor vorbeiströmenden Fluidströmung. Dabei wird sich zunutze gemacht, dass sich zumindest für bestimmte Störungen innerhalb des Triebwerks veränderte Druckverhältnisse ergeben, die gegenüber einem normalen Betrieb zumindest lokal zu veränderten Fluidströmungen führen. Über die störungsbedingt veränderten Druckverhältnisse wird dann zum Beispiel Fluid von einem heißeren Bereich innerhalb des Triebwerks an dem mindestens einen Temperatursensor vorbei geführt, wodurch sich im Störungsfall ein deutlich messbarer Temperatursprung ergibt.
Der mindestens eine Temperatursensor ist somit bei der vorgeschlagenen Lösung in einem Strömungspfad positioniert, entlang dem sowohl die Sollströmung als auch die Fehlerströmung mithilfe des mindestens einen Strömungsführungselements geleitet wird, sodass an dem mindestens einen Temperatursensor nicht nur in einem störungsfreien Betrieb des Triebwerks entlang der ersten Strömungsrichtung Fluid vorbeiströmt. Vielmehr ist der mindestens eine Temperatursensor derart positioniert, dass in einem etwaigen Störungs- oder Fehlerfall dann auch (stattdessen) Fluid an dem mindestens einen Temperatursensor vorbeiströmt, das entlang einer anderen, zweiten Strömungsrichtung strömt und eine höhere Temperatur aufweist als das Fluid der Sollströmung. Es ergibt sich mithin ein messbarer Temperatursprung, zum Beispiel um mehrere dutzend oder sogar um mehrere hundert Kelvin, durch den Wechsel von der Sollströmung zur Fehlerströmung und damit durch den damit einhergehenden Richtungswechsel der an dem mindestens einen Temperatursensor vorbeigeführten Fluidströmung. Damit ist folglich eine veränderte Temperatur oder ein Temperaturanstieg in Abhängigkeit davon messbar, ob die Sollströmung oder eine Fehlerströmung an dem Temperatursensor vorbeigeführt wird.
Grundsätzlich kann der mindestens eine Temperatursensor an oder in dem mindestens einen Strömungsführungselement positioniert sein. Der mindestens eine Temperatursensor ist somit beispielsweise innerhalb eines in dem Strömungsführungselement gebildeten Raum positioniert oder nach einer Eintritts- oder Ausströmungsöffnung des Strömungsführungselements, über die z.B. die Sollströmung in das Strömungsführungselement einströmt und eine Fehlerströmung aus dem Strömungsführungselement ausströmt.
Das Strömungsführungselement kann grundsätzlich ausgebildet sein, die Fehlerströmung entlang einer zweiten Strömungsrichtung an dem mindestens einen Temperatursensor vorbei zu leiten, die zu der ersten Strömungsrichtung der Sollströmung entgegengesetzt ist. In einer hierauf basierenden Ausführungsvariante strömt somit die Sollströmung mit dem kälteren Fluid entlang einer ersten Strömungsrichtung an dem mindestens einen Temperatursensor vorbei, während eine Fehlerströmung mit wärmerem/heißerem Fluid entlang einer hierzu entgegengesetzten zweiten Strömungsrichtung an dem mindestens einen Temperatursensor vorbeiströmt.
In einer Ausführungsvariante ist das mindestens eine Strömungsführungselement mit mindestens einem Strömungskanal ausgebildet, über den die Sollströmung und/oder die Fehlerströmung mindestens einmal umgelenkt wird. Eine Umlenkung der jeweiligen Strömung kann insbesondere von Vorteil sein, um die jeweilige Strömung, insbesondere eine Fehlerströmung heißeren Fluids, von thermisch weniger belastbaren Komponenten des Triebwerks weg zu leiten.
In einer Ausführungsvariante ist das mindestens eine Strömungsführungselement im Bereich eines Leitrads einer Turbine des Triebwerks vorgesehen, insbesondere im Bereich eines Turbineneintrittsleitrads oder eines Hochdruckturbinenstators. Insbesondere im Bereich eines Leitrads einer die Antriebsenergie erzeugenden Turbine des Triebwerks kann die vorgeschlagene Lösung von Vorteil sein, da hier der Ausfall etwaiger kühlenden und/oder dichtenden Strömungen regelmäßig besonders kritisch ist und durch eine möglichst zuverlässige sensorische Erfassung etwaiger Störungen im Betrieb des Triebwerks in diesem Bereich schwerwiegende Beschädigungen des Triebwerks vermeiden können. Hierbei kann das mindestens eine Strömungsführungselement beispielsweise für die Leitung einer Sollströmung eingerichtet und vorgesehen sein, die aus einer der Turbine zugeführten Kompressorabblaseluft (engl. „compressor offtake air“) stammt und von außen in Richtung eines inneren Teils der Turbine geführt wird. Die Kompressorabblaseluft wird hierbei beispielsweise verwendet, um Leit- und/oder Laufschaufeln oder Rotorscheiben der Turbine zu kühlen und/oder Randbereiche oder Lager an der Turbine abzudichten.
Nimmt eine entsprechende Kühlluftströmung oder Dichtluftströmungen aufgrund einer Störung innerhalb des Triebwerks, zum Beispiel aufgrund einer Störung an einem die Zuführung steuernden Zapfluftventil, ab oder fällt sogar gänzlich aus, kann dies zu erheblichen und funktionsbeeinträchtigenden Beschädigungen des Triebwerks führen. Mit Blick auf eine Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung wird sich in dieser Hinsicht beispielsweise zunutze gemacht, dass eine etwaige Reduktion der entsprechenden zugeführten Kühlluftströmung oder Dichtluftströmung im Bereich eines Leitrads der Turbine zu einer Veränderung der (lokalen) Druckverhältnisse führen kann und demzufolge dann eine im Normalbetrieb nicht vorhandene Fehlerströmung entsteht, die Fluid mit einer höheren Temperatur mitführt als die im Normalbetrieb des Triebwerks vorhandene Sollströmung. Dabei strömt die Fehlerströmung aufgrund der geänderten Druckverhältnisse in eine (zweite) Strömungsrichtung, die zur (ersten) Strömungsrichtung der Sollströmung verschieden ist.
In einer Ausführungsvariante wird über das mindestens eine Strömungsführungselement die Sollströmung aus einem von dem Leitrad zumindest teilweise berandeten Hohlraum in Richtung eines Ringraums des Triebwerks geleitet, in dem mindestens eine Leitschaufel des Leitrads angeordnet ist. Im Normalbetrieb des Triebwerks ist somit über das Strömungsführungselement die Sollströmung in Richtung eines Ringraums des Triebwerks geführt. Es wird hier folglich druckgetrieben über das Strömungsführungselement kühleres Fluid zum Ringraum geleitet. Entstehen aufgrund einer Störung im Triebwerk veränderte Druckverhältnisse, ist das Strömungsführungselement in einer solchen Ausführungsvariante entsprechend positioniert, sodass dann eine Fehlerströmung heißes bzw. heißeres Fluid aus dem Ringraum in Richtung eines Hohlraums des Leitrads mitführt. Hierbei kommt es zu einem deutlich messbaren Temperatursprung an dem Temperatursensor im Vergleich zu der Sollströmung. Derart kann folglich ohne Weiteres zuverlässig auf einen etwaigen Störungsfall geschlossen werden, gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Höhe des Temperatursprungs sogar auf die Art und/oder Kategorie des Störungsfalls.
Der zumindest teilweise von dem Leitrad berandete Hohlraum kann beispielsweise im Inneren der Leitschaufel ausgebildet sein. Beispielsweise handelt es sich hierbei eine Schaufelkammer einer Leitschaufel des Leitrads, durch die hindurch Luft von außen in Richtung des Inneren der Turbine zu Kühlung- und/oder Dichtungszwecken geleitet wird.
Alternativ oder ergänzend kann der Hohlraum zumindest teilweise zwischen einer Plattform des Leitrads und einem Abschnitt eines Gehäuses, an dem das Leitrad festgelegt ist, ausgebildet sein. Unter einer entsprechenden Plattform des Leitrads wird in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fußplatte oder eine Kopfplatte einer Leitschaufel des Leitrads verstanden.
Unabhängig von der Art des Hohlraums kann dieser mit einem Zuführkanal (z.B. in Form eines im Englischen als „feed pipe“ bezeichneten Zuführkanals) verbunden sein, über den dem Hohlraum im Betrieb des Triebwerks Fluid, insbesondere zu Kühlungs- und/oder Dichtungszwecken, zugeführt wird. Das Strömungsführungselement ist hierbei dann eingerichtet, eine entstehende Fehlerströmung entlang der zweiten Strömungsrichtung zu leiten, wenn die Menge des über den mindestens einen Zuführkanal zugeführten Fluids unter einen Schwellwert sinkt. Eine solche über das Strömungsführungselement an dem mindestens einen Temperatursensor vorbei geleitete Fehlerströmung entsteht beispielsweise, wenn der Zuführkanal oder mindestens ein Zuführkanal von mehreren dem Hohlraum im störungsfreien Betrieb Fluid zuführenden Zuführkanälen beschädigt ist oder ein Ventil innerhalb eines Zuführungskanals nicht ordnungsgemäß funktioniert. Hierdurch nimmt dann ein Druck in dem Hohlraum des Leitrads ab und fällt beispielsweise unter einen Druck innerhalb des heißes Fluid führenden Ringraums des Triebwerks, sodass dann nicht mehr Fluid einer Sollströmung in Richtung des Ringraums strömt, sondern der dann höhere Druck in dem Ringraum heißeres Fluid an dem Temperatursensor vorbei in Richtung des leitradseitigen Hohlraums strömen lässt.
Um Fluid im einem etwaigen Fehlerfall aus dem Ringraum in Richtung des leitradseitigen Hohlraums strömen lassen zu können, ist eine Öffnung, über die Fluid in den Ringraum und/oder aus dem Ringraum strömen kann, an einer radial äußeren Plattform des Leitrads (und damit zum Beispiel einer Kopfplatte einer Leitschaufel des Leitrads), an einer radial inneren Plattform des Leitrads (und damit zum Beispiel an einer Fußplatte einer Leitschaufel des Leitrads) und/oder an einer Leitschaufel des Leitrads selbst vorgesehen. Im letztgenannten Fall kann eine entsprechende Öffnung für eine Fluidverbindung zu dem Ringraum auf einer Saugseite oder Druckseite einer Leitschaufel vorgesehen sein.
Ein sich an eine entsprechende Öffnung anschließender Kanal des mindestens eine Strömungsführungselements mündet dann beispielsweise in eine plattformseitige, radial außen liegende oder radial innen liegende Kavität im Bereich einer Leitschaufel des Leitrads oder in einer Schaufelkammer innerhalb einer Leitschaufel des Leitrads. Der mindestens eine Temperatursensor kann folglich insbesondere in einem Abschnitt eines solchen Kanals positioniert sein oder zum Beispiel innerhalb des jeweiligen Hohlraums in unmittelbarer Nähe zu einer hohlraumseitigen Öffnung des Kanals, über die die Sollströmung in Richtung des Ringraums und umgekehrt aus dem Ringraum in den Hohlraum strömen kann.
In einer Ausführungsvariante bildet das mindestens eine Strömungsführungselement eine Kammer und/oder einen Drosselabschnitt aus. Ist das Strömungsführungselement mit einer Kammer und/oder einem Drosselabschnitt ausgebildet, kann dies in einer Ausführungsvariante dazu dienen, im Betrieb des Triebwerks innerhalb des Strömungsführungselements einen Zwischendruck aufrechtzuerhalten, der höher liegt als ein Druck in dem Ringraum, hierbei jedoch nur um ein geringeres Maß als der Druck, der in dem von dem Leitrad zumindest teilweise berandeten Hohlraum herrscht. Über eine zusätzliche Kammer und/oder einen Drosselabschnitt an dem Strömungsführungselement kann somit ein Zwischendruck vorgegeben sein, der zwar gegenüber dem Druck in dem leitradseitigen Hohlraum geringer ist, jedoch weiterhin ein ausreichendes Druckgefälle bezüglich des Drucks in dem Ringelraum gewährleistet, um im störungsfreien Betrieb des Triebwerks die Sollströmung in Richtung des Ringraums zu erzeugen. Dieses Druckgefälle, das die Sollströmung antreibt, fällt dann aber zum Beispiel vergleichsweise gering aus und kann - bei einer Störung in der Zuströmung in den Hohlraum - leicht(er) kippen. Die Fehlerströmung, die wärmeres Fluid aus dem Ringraum in Richtung des Hohlraums fördert, entsteht somit bereits frühzeitig, d.h., bereits bei einer (im Vergleich zu einem Strömungsführungselement ohne zusätzliche Kammer und/oder ohne zusätzlichen Drosselabschnitt) kleineren Veränderung in der Zuströmung. Über eine zusätzliche Kammer und/oder einen zusätzlichen Drosselabschnitt an dem mindestens einen Strömungsführungselement kann ferner auch eine Durchflussmenge an Fluid sowohl bei der Sollströmung als auch bei einer Fehlerströmung gezielter vorgebbar sein. So ist insbesondere eine kleinere Durchflussmenge von Vorteil, wenn die Sollströmung aus einer zur Kühlung und/oder zur Dichtung genutzten Strömung im Bereich des Leitrads für die Fehlerdetektion abgezweigt und dem Temperatursensor zugeführt wird. Je geringer die abzweigte Sollströmung ist, desto geringer kann auch im Normalbetrieb des Triebwerks eine eventuell negativer Einfluss auf die entsprechende Kühl- und/oder Dichtluftströmung gehalten werden.
In einer Ausführungsvariante ist das mindestens eine Strömungsführungselement integral an einer Leitschaufel des Leitrads ausgebildet. Diese Ausführungsvariante schließt dabei insbesondere ein, dass ein entsprechendes Strömungsführungselement an einer Plattform des Leitrads und/oder in einer Leitschaufel des Leitrads ausgeformt oder an eine Plattform des Leitrads angeformt ist, zum Beispiel mittels Schweißen.
In einer alternativen Ausführungsvariante ist das mindestens eine Strömungsführungselement an einer Boroskopöffnung vorgesehen. Bei dieser Variante wird sich folglich eine ohnehin an dem Triebwerk auszubildende oder bereits ausgebildete Boroskopöffnung zunutze gemacht und diese für die Anbringung des Strömungsführungselements und damit des mindestens einen Temperatursensors verwendet. Das Strömungsführungselement kann hierbei beispielsweise nachträglich an eine ohnehin vorhandene Boroskopöffnung eingesetzt sein. Insbesondere kann das Strömungsführungselement an einer Boroskopöffnung an einem Turbinengehäuse im Bereich eines Leitrads vorgesehen sein.
Die Nutzung einer vorhandenen Boroskopöffnung für mindestens ein Strömungsführungselement kann beispielsweise etwaige Modifikationen an bisher genutzte Bauformen eines Leitrads zur Implementierung einer Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung deutlich reduzieren. In der Boroskopöffnung ist lediglich nachträglich ein entsprechend ausgestaltetes Strömungsführungselement mit Temperatursensor zu positionieren, wobei durch die Position der Boroskopöffnung an dem Leitrad selbstverständlich sichergestellt sein sollte, dass bei einem etwaigen auch nur teilweise Ausfall einer Kühlluft- und/oder Dichtströmung im Bereich der Boroskopöffnung auch tatsächlich eine ausreichende, die Strömungsverhältnisse lokal beeinflussende Veränderung der Druckverhältnisse auftritt.
Ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen Lösung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Detektion einer Störung im Betrieb eines Triebwerks.
Hierbei ist mindestens ein Temperatursensor innerhalb des Triebwerks in einem Strömungspfad positioniert, entlang dem in einem störungsfreien Betrieb des Triebwerks wenigstens eine Sollströmung von Fluid entlang einer ersten Strömungsrichtung strömt und entlang dem bei einer Störung innerhalb des Triebwerks eine Fehlerströmung von Fluid höherer Temperatur als das Fluid der Sollströmung entlang einer zu der ersten Strömungsrichtung verschiedenen zweiten Strömungsrichtung strömt. Durch einen Wechsel von der Sollströmung zu der Fehlerströmung und einem damit einhergehenden, an dem mindestens einen Temperatursensor auftretenden Temperatursprung wird dann mithilfe des Temperatursensors elektronisch eine Störung detektiert.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird sich somit ebenfalls zunutze gemacht, dass eine gemessene Temperatur oder ein gemessener (charakteristischer) Temperaturanstieg an dem Temperatursensor einen Rückschluss auf einen Wechsel in der Richtung der an dem Temperatursensor vorbeiströmenden Fluidströmung und auf eine eventuell aufgetretene Störung, gegebenenfalls sogar deren Art oder Kategorie zulässt.
Der mindestens eine Temperatursensor ist beispielsweise mit einer elektronischen Auswertelogik zur automatisierten Auswertung der gemessenen Temperatur und/oder eines gemessenen Temperaturanstiegs gekoppelt. In der elektronischen Auswertelogik können beispielsweise Konkordanzdaten hinterlegt sein, über die unterschiedliche Temperaturwerte oder Temperaturanstiege unterschiedlichen Fehlern oder Risikostufen zugeordnet sind. Derart können z.B. über die Auswertelogik unterschiedliche Arten von Alarmsignalen in Abhängigkeit von der Höhe einer gemessenen Temperatur oder eines gemessenen Temperaturanstiegs erzeugt werden.
Selbstverständlich ist eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Verfahrens an einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Triebwerks ausführbar. Vorstehend und nachstehend erläuterte Vorteile und Merkmale für Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Triebwerks gelten somit auch für Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Detektionsverfahrens und umgekehrt. Insbesondere kann das Verfahren zur elektronischen Detektion einer Störung für eine Anwendung im Bereich eines Leitrads eine Turbine des Triebwerks und mithin zur Messung der Temperatur oder eines Temperaturanstiegs mithilfe des mindestens einen Temperatursensors im Bereich eines solchen Leitrads vorgesehen sein.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
Hierbei zeigen:

1 ausschnittsweise eine Hochdruckturbine im Bereich eines Leitrads mit Blick auf eine Plattformkavität mit einem Strömungsführungselement im Bereich einer Kopfplatte einet Leitschaufel des Leitrads;
2 in mit der 1 übereinstimmender Ansicht eine weitere Ausführungsvariante mit einem alternativ ausgestalteten Strömungsführungselement, das einen Drosselabschnitt umfasst;
3 in geschnittener Ansicht ein Strömungsführungselement im Bereich eines Turbineneintrittsleitrads an einer Kopfplatte einer Leitschaufel des Leitrads;
4 schematisch und in geschnittener Ansicht eine weitere Ausführungsvariante mit einem T-förmigen Strömungsführungselement an einer Kopfplatte einer Leitschaufel eines Leitrads für eine Turbine eines Triebwerks;
5A-5C in vergrößertem Maßstab unterschiedliche weitere Ausführungsvarianten für ein Strömungsführungselement der 4;
6 in schematischer Ansicht und in Einzeldarstellung eine Leitschaufel eines Leitrads mit einer durchgehenden Schaufelkammer zur Führung einer Kühlluftströmungen;
7 schematisch und in Seitenansicht eine Leitschaufel mit zwei Varianten eines Strömungsführungselements, über das jeweils einen Fluidverbindung zwischen einer leitradseitigen Kavität und einer Schaufelkammer bereitgestellt ist;
8A-8B unterschiedliche Ansichten einer Ausführungsvariante, bei der über ein Strömungsführungselement eine Fluidverbindung zwischen einem Ringraum und einer innen liegenden Schaufelkammer einer Leitschaufel bereitgestellt ist und eine Öffnung des Strömungsführungselements an einer Saugseite der Leitschaufel vorgesehen ist;
9 ausschnittsweise eine Turbine eines Triebwerks mit Blick auf eine Leitschaufel eines Leitrads, bei dem ein Strömungsführungselement im Bereich einer Fußplatte der Leitschaufel vorgesehen ist;
10A-10B in unterschiedlichen Ansichten eine weitere Ausführungsvariante, bei der ein Strömungsführungselement an einer Boroskopöffnung im Bereich einer Leitschaufel eines Leitrads einer Turbine vorgesehen ist;
11 schematisch ein Flussdiagramm für eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Detektionsverfahrens;
12 in Schnittdarstellung schematisch ein Gasturbinentriebwerk.

Die 12 veranschaulicht schematisch und in Schnittdarstellung ein (Gasturbinen-) Triebwerk T in Form eines Turbofan-Triebwerks, bei dem die einzelnen Triebwerkskomponenten entlang einer Mittelachse oder Rotationsachse M hintereinander angeordnet sind. An einem Einlass oder Intake E des Triebwerks T wird Luft entlang einer Eintrittsrichtung E mittels eines Fans F angesaugt. Angetrieben wird dieser Fan F über eine Verbindungswelle, die von einer Turbine TT in Drehung versetzt wird. Die Turbine TT schließt sich hierbei an einen Verdichter V an, der beispielsweise einen Niederdruckverdichter 11 und einen Hochdruckverdichter 12 aufweist, sowie gegebenenfalls noch einen Mitteldruckverdichter. Der Fan F führt einerseits dem Verdichter V Luft zu sowie andererseits einem Nebenstrom- oder Bypasskanal B zur Erzeugung des Schubs. Die über den Verdichter V geförderte Luft gelangt schließlich in einen Brennkammerabschnitt BK, in dem die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine TT erzeugt wird. Die Turbine TT weist hierfür eine Hochdruckturbine 13, eine Mitteldruckturbine 14 und eine Niederdruckturbine 15 auf. Die Turbine TT treibt über die bei der Verbrennung freiwerdende Energie den Fan F an, um dann über die in den Bypasskanal B geförderte Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Die Luft verlässt hierbei den Bypasskanal B im Bereich eines Auslasses A am Ende des Triebwerks T, an dem die Abgase aus der Turbine TT nach außen strömen. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse auf.
Grundsätzlich kann der Fan F auch über eine Verbindungswelle und ein epizyklisches Planetengetriebe mit der Niederdruckturbine 15 gekoppelt und von dieser angetrieben werden. Ferner können auch andere, abweichend ausgestalte Gasturbinentriebwerke vorgesehen sein, bei denen die vorgeschlagene Lösung Anwendung finden kann. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein Beispiel kann das Triebwerk eine Teilungsstromdüse aufweisen, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal B seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse separat ist und radial außen liegt. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal B und der Strom durch den Kern vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die vorgeschlagene Lösung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
Bei der vorliegend exemplarisch veranschaulichten Variante eines Triebwerks T umfasst der Turbine TT mehrere in axialer Richtung hintereinander liegende Reihen von Turbinenlaufrädern und (Turbinen-) Leiträdern. Die um die Mittelachse M rotierenden Reihen von Turbinenlaufrädern und die Reihen stationärer Leiträder sind abwechselnd entlang der Mittelachse M angeordnet und in einem Gehäuse G der Turbine TT aufgenommen, insbesondere z.B. im Bereich der Hochdruckturbine 13 oder der Niederdruckturbine 15.
Die 1 zeigt ausschnittsweise die Turbine TT, z.B. im Bereich der Hochdruckturbine 13, mit einem Leitrad 2, von dem eine Leitschaufel 22 in einem Ringraum RR der Turbine TT stromauf einer Turbinenlaufschaufel 3 angeordnet ist. Das Leitrad 2 ist über eine radial äußere Plattform 20, die eine Kopfplatte des Leitrads 22 bildet, an dem Gehäuse G der Turbine TT festgelegt.
Zwischen einem Abschnitt des Gehäuses G und der äußeren Plattform 20 ist ein Hohlraum in Form einer Plattformkavität 4a gebildet. In dieser Plattformkavität 4a herrschen ein Druck p1 und eine Temperatur T1. Über ein Strömungsführungselement in Form eines Kammerbauteils 5 steht die Plattformkavität 4a mit dem Ringraum RR in Fluidverbindung, sodass bei einem Druck p2 oder p3 in dem Ringraum RR, der kleiner ist als der Druck p1 in der Plattformkavität 4a eine Sollströmung f1 oder f3 Luft aus der Plattformkavität 4a in Richtung des Ringraums RR strömt. Das Kammerbauteil 5 der Ausführungsvariante der 1 stellt dabei hierfür zwei Ausströmöffnungen 502 und 510 für die Fluidverbindung zu dem Ringraum RR bereit. Eine erste Ausströmöffnung 502 ist dabei im Bereich der radial äußeren Plattform 20 in einem Bereich vorgesehen, über den aus der ersten Ausströmöffnung 502 ausströmendes Fluid der Sollströmung f3 zwischen die Leitschaufel 22 und die Turbinenlaufschaufel 3 gelangt. Die zweite Ausströmöffnung 510 ist demgegenüber stromauf der ersten Ausströmöffnung 502 am Fuß der Leitschaufel 22 vorgesehen. Die ersten Ausströmöffnung 502 ist an einer Vorkammer 50 des Kammerbauteils 5 vorgesehen, in die Fluid aus der Plattformkavität 4a über eine drosselnde Eintrittsöffnung 503 des Kammerbauteils 5 einströmen kann. Über eine Verbindungsöffnung 501 ist mit dieser Vorkammer 50 ein Strömungskanal 51 des Kammerbauteils 5 verbunden, der wiederum die Vorkammer 50 mit der zweiten Ausströmöffnung 510 verbindet.
Im störungsfreien Betrieb des Triebwerks T ist in der Vorkammer 50 ein (Zwischen-) Druck p4 eingestellt, der - aufgrund der drosselnd wirkenden Eintrittsöffnung 503 - zwar kleiner ist als der Druck p1 in der Plattformkavität 4a, jedoch größer ist als ein Druck p3 in dem Ringraum RR an der ersten Ausströmöffnung 502 und auch größer ist als ein Druck p2 in dem Ringraum RR im Bereich der zweiten Ausströmöffnung 510. Derart werden im störungsfreien Betrieb des Triebwerks T über das Druckgefälle zwischen p4 und p2 (Δp42) bzw. p4 und p3 (Δp43) die Sollströmungen f1 und f3 aus der Plattformkavität 4a in Richtung des Ringraums RR erzeugt. Die eine Sollströmung f3 wird hierbei aus der Plattformkavität 4a - über die Eintrittsöffnung 503 in die Vorkammer 50 einströmend - durch die erste Ausströmöffnung 502 in Richtung des Ringraums RR geleitet. Die weitere Sollströmung f1 mit aus der Plattformkavität 4a stammenden Fluid wird, getrieben von dem Druckgefälle zwischen dem Druck p4 in der Vorkammer 50 und dem Druck p2 an der zweiten Ausströmöffnung 510, durch den Strömungskanal 510 hindurch in Richtung des Ringraums RR geleitet.
In dem Strömungskanal 51 ist mindestens ein Temperatursensor S angeordnet, der über eine Sensorleitung SL mit einer elektronischen Auswerteeinheit AE verbunden ist. Im störungsfreien Normalbetrieb wird folglich die Sollströmungen f1 über das Kammerbauteil 5 an dem Temperatursensor S vorbei geführt. Diese Sollströmung f1 führt Fluid der Temperatur T1 aus der Plattformkavität 4a mit sich, und damit Fluid, das um mehrere 100 K kühler ist als das Fluid der Temperatur T2 in dem Ringraum RR der Turbine TT.
Tritt nun eine Störung im Betrieb des Triebwerks T auf, insbesondere in einer Zuführung für die Kühlluft in die Plattformkavität 4a, fällt der (vergleichsweise hohe) Druck p1 in der Plattformkavität 4a und damit auch der Druck p4 in der Vorkammer 50 des Kammerbauteils 5 ab. Hierbei kann der (Zwischen-) Druck p4 in der Vorkammer 50 so weit abfallen, dass der Druck p2 an der zweiten Ausströmöffnung 510 am Fuß des Leitrads 22 größer ist als der Druck p4 in der Vorkammer 50. Es entsteht somit eine Fehlerströmung f2 innerhalb des Strömungskanals 51, die über 1000 K heißes Fluid aus dem Ringraum RR über die Vorkammer 50 hinweg zu der ersten Ausströmöffnung 504 führt (da der Druck p3 an der stromab liegenden ersten Ausströmöffnung 502 weiterhin größer ist als der Druck p2 an der zweiten Ausströmöffnung 504). Es entsteht mithin eine Fehlerströmung f2 über den Temperatursensor S in dem Strömungskanal 51 hinweg, die die im Normalbetrieb vorhandene Sollströmung f1 ersetzt. Die Fehlerströmung f2 strömt dabei dann auch entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Sollströmung f1.
Durch das Mitführen heißeren Fluids aus dem Ringraum RR ist bei Auftreten der Fehlerströmung f2 an dem Temperatursensor S ein deutlicher Temperatursprung messbar. Über diesen Temperatursprung ist über eine Auswertelogik der elektronischen Auswerteeinheit AE eine Störung in der Zuführung der Kühlluft in die Plattformkavität 4a detektierbar. Eine solche Detektion kann dann unmittelbar zum Erzeugen eines Alarmsignals führen, da bei geringerer oder gar ausbleibender Zuführung von Kühlluft ein Versagen thermisch hochbelasteter Bauteile der Turbine TT droht.
Bei der dargestellten Lösung der 1 wird sich somit zunutze gemacht, dass bei einer etwaigen Störung in der Zuführung von Kühlluft im Bereich einer Leitschaufel 22 eines Leitrades 2 eine Strömungsumkehr in einem Strömungskanal 51 eines hier exemplarisch als Kammerbauteil 5 ausgebildeten Strömungsführungselements auftritt, in dem eine Temperatursensor angeordnet ist. Durch die Strömungsrichtungsumkehr wird anstelle kühlerer Luft in Richtung des Ringraums RR heiße Luft aus dem Ringraum RR an dem Temperatursensor S vorbei geführt. Der damit verbundene deutlich messbare Temperaturanstieg kann dann unmittelbar für die Fehlerdiagnose und die Erzeugung eines Alarmsignals genutzt werden.
Bei der Ausführungsvariante der 2 ist erneut ein Kammerbauteil 5 als Strömungsführungselement in einer Plattformkavität 4a an einer oberen Plattform 20 des Leitrads 2 vorgesehen. Das Kammerbauteil 5 bildet auch hier eine Vorkammer 50 aus. Diese Vorkammer 50 steht dabei aber über einen Drosselabschnitt 52 mit einer stromauf gelegenen Zusatzkammer 53 des Kammerbauteils 5 in Fluidverbindung, sodass im störungsfreien Normalbetrieb des Triebwerks T ähnliche Druckbedingungen herrschen wie bei der Ausführungsvariante der 1 und sich insbesondere Sollströmungen f1 und f2 einstellen, über die Fluid aus der Plattformkavität 4a über eine Eintrittsöffnung 503 an der Vorkammer 50 hinweg zu ersten und zweiten Ausströmöffnungen 502 und 504 an der Vorkammer 50 und der Zusatzkammer 53 in Richtung des Ringraums RR geleitet wird.
Im Fall einer Störung in der Zuführung kühlender Luft in die Plattformkavität 4a und die damit einhergehenden sich verändernden Druckverhältnisse strömt auch in dieser Ausführungsvariante eine Fehlerströmung f2 über den im Bereich des Drosselabschnitts 52 angeordneten Temperatursensor S. Diese Fehlerströmung f2 führt heißeres Fluid aus dem Ringraum RR über die zweite Ausströmöffnung 504 zu der ersten Ausströmöffnung 502.
Sowohl das Kammerbauteil der 1 als auch das Kammerteil 5 der 2 kann integral an der Leitschaufel 22 des Leitrads 2 und hierbei an einer der Plattformkavität 4a zugewandten Deckfläche ausgebildet sein. Alternativ kann das Kammerbauteil 5 nachträglich an das Leitrad 22 angeformt sein, zum Beispiel an die Deckfläche angeschweißt sein, die im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand des Leitrads 2 der Plattformkavität 4a zugewandt ist und diese berandet. Bei der Ausführungsvariante der 2 bildet die Deckfläche hierbei beispielsweise bereits Durchgangsöffnungen 20a, 20b aus, mit denen die kammerbauteilseitigen Ausströmöffnungen 502 und 504 bei der Montage des Kammerbauteils 5 an die Leitschaufel 2 zur Deckung gebracht werden.
Grundsätzlich kann das Kammerbauteil 5 boxenförmig ausgebildet sein, sodass rohrförmige Strömungskanäle vermieden und das Kammerbauteil 5 robuster ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsvariante der 3 ist das Kammerbauteil 5 innerhalb der (oberen) Plattformkavität 4a einer Leitschaufel 2 der Turbine TT vorgesehen und kanalartig ausgebildet. Das Kammerbauteil 5 erstreckt sich hierbei im Wesentlichen L-förmig zwischen einer innerhalb der Plattformkavität 4a liegenden Eintrittsöffnung 503 und einer die Fluidverbindung zu dem Ringraum RR bereitstellenden Ausströmöffnung 504.
Über das Kammerbauteil 5 ist dabei eine Fluidverbindung zwischen einer Schaufelkammer 220 im Inneren der Leitschaufel 22 und dem Ringraum RR bereitgestellt. Die Schaufelkammer 220 durchquert die Leitschaufel 22 in radialer Richtung und gestattet die Zuführung einer Kühlluftströmung, zum Beispiel durch eine über entsprechende Ventile gesteuerte Abblaseluft aus dem Verdichter V des Triebwerks T, von radial außen in Richtung des Inneren der Turbine TT. Im störungsfreien Betrieb des Triebwerks T ergibt sich aufgrund des größeren Drucks in der Plattformkavität 4a im Vergleich zu dem Druck in dem Ringraum RR eine Sollströmungen mit abgezweigter Kühlluft aus dem Inneren der Leitschaufel 22 über das kanalartige Kammerkauteil 5 hindurch in Richtung des Ringraums RR. Die entsprechende Sollströmungen f1 wird dabei erneut über einen in dem Kammerbauteil 5 positionierten Temperatursensor T geleitet. Fällt der Druck innerhalb der Leitschaufel 22 aufgrund einer Störung in der Kühlluftversorgung ab, strömt über das Kammerbauteil 5 um mehrere 100 K heißeres Fluid aus dem Ringraum RR in die Plattformkavität 4a an dem Temperatursensor S vorbei. Ein entsprechender Temperatursprung, der mit dem Strömungswechsel einhergeht, kann folglich gut detektiert und zur Erzeugung eines Alarmsignals genutzt werden.
Bei der Ausführungsvariante der 4 ragt ebenfalls ein rohrförmig ausgestaltetes Strömungsführungselement in Form eines Strömungskanals 6 in eine (obere) Plattformkavität 4a des Leitrads 22. Über diesen Strömungskanal 6 ist der Ringraum RR fluidtechnisch mit der Plattformkavität 4a verbunden. Hierzu weist der Strömungskanal 6 eine T-förmige Erstreckung auf und bildet zwei quer in die Plattformkavität 4a ragende Kanalabschnitte 61 und 62 aus, die in einen gemeinsamen Kanalabschnitt 60 münden, der über eine Ausströmöffnung 600 mit dem Ringraum RR an der Kopfplatte des Leitrads 22 verbunden ist.
Jeder der in die Plattformkavität 4a ragenden Kanalabschnitte 61 und 62 des T-förmigen und damit verzweigten Strömungskanals 6 weist eine Einströmöffnung 610 oder 620 auf. Über diese Einströmöffnungen 610, 620 kann kühleres Flut aus der Plattformkavität 4a in den Strömungskanal 6 hinein in Richtung des Ringraums RR strömen, wenn der Druck innerhalb der Plattformkavität 4a größer ist als der Druck im Ringraum RR an der Ausströmöffnung 600.
Der im störungsfreien Normalbetrieb herrschende höhere Druck in der Plattformkavität 4a entsteht durch zugeführte Kühlluft, die über einen oder mehrere Zuführungskanäle FP an dem Gehäuse G in die Plattformkavität 4a und in Richtung des Leitrads 22 geleitet wird.
Im störungsfreien Betrieb des Triebwerks T stellen sich somit Sollströmungen f1 und f3 in Richtung des Ringraums RR ein.
Im Fall einer etwaigen Störung ergeben sich demgegenüber Fehlerströmungen f2a und f2b, die Fluid aus dem Ringraum RR über die Ausströmöffnung 600 in den Strömungskanal 600 und hieraus über die Einströmöffnungen 610, 620 in die Plattformkavität 4a führen. Ein in dem gemeinsamen Kanalabschnitt 60 angeordneter Temperatursensor S erfährt somit bei sich einstellenden Fehlerströmungen f2a, f2b einen messbaren Temperaturanstieg, der als Hinweis auf eine potentielle Störung in dem Triebwerk T ausgewertet werden kann.
Der Temperatursensor S kann, wie in der 4 schematisch dargestellt, mit einem Sensorrohr verbunden sein, über das eine Sensorleitung SL oder mehrere Sensorleitungen SL von der Leitschaufel 22 nach außen zur einer elektronischen Auswerteeinheit AE geführt werden.
Die 5A, 5B und 5C veranschaulichen exemplarisch weitere mögliche Ausführungsvarianten für die Ausbildung eines Strömungskanals 6 entsprechend der 4.
Die Ausführungsvariante der 5A sieht hierbei beispielsweise vor, dass sich der Strömungskanal 6 rohrförmig und geradlinig radial erschreckt. Bei der Ausführungsvariante der 5B ist der Strömungskanal 6 demgegenüber zur Umlenkung der Fluidströmungen L-förmig ausgebildet. Bei der Ausführungsvariante der 5C ist wiederum im Unterschied zu den Ausführungsvarianten der 4, 5A und 5B der Temperatursensor S nicht innerhalb des Strömungskanals 6 vorgesehen. Vielmehr ist hier der Temperatursensor S bei dem exemplarisch L-förmig ausgestaltetem Strömungskanal 6 angrenzend an die Einströmöffnung 610, jedoch außerhalb des Strömungskanals 6 angeordnet. Jedem Fall ist aber auch in dieser Variante der Temperatursensor S derart positioniert, dass sowohl die Sollströmung f1 als auch die Fehlerströmung f2 an dem Temperatursensor S geleitet wird und folglich der Temperatursensor S in einem Strömungspfad sowohl der Sollströmung f1 als auch der Fehlerströmung f2 liegt.
Die 6 zeigt in perspektivischer Ansicht exemplarisch eine Leitschaufel 22, wie es in den vorstehend und nachstehend erläuterten Ausführungsvarianten zum Einsatz kommen kann. Die Leitschaufel 22 der 6 weist eine die Leitschaufel 22 mittig durchquerende Schaufelkammer 220 auf. Über eine Einströmöffnung 220a an der äußeren Plattform 20 und mithin der Kopfplatte der Leitschaufel 22 kann eine kühlende Sollströmung f1 in die Schaufelkammer 220 einströmen (aus der im Normalbetrieb dann auch Sollströmung in Richtung des Ringraums RR hervorgeht). Diese kühlende Sollströmung f1 tritt im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand der Laufschaufel 22 an einer Ausströmöffnung 220b in Richtung des Inneren der Turbine TT aus. Die Ausströmöffnung 220b ist hierbei an einer inneren Plattform 21 und mit ihm an einer Fußplatte der Laufschaufel 22 ausgebildet.
Bei der Weiterbildung der 7 ist ein Strömungsführungselement in Form eines Strömungskanals 7 vorgesehen, über den eine Fluidverbindung zwischen einer an der inneren Plattform 21 vorgesehenen Plattformkavität 4b und einer Schaufelkammer an der Leitschaufel 22 bereitgestellt ist. Im störungsfreien Betrieb des Triebwerks T herrscht an der Leitschaufel 22 ein Druckgefälle, über das eine Sollströmung f1 von einer schaufelkammerseitigen Einströmöffnung 71 zu einer kavitätsseitigen Ausströmöffnung 72 durch den Strömungskanal 7 strömt.
Bei einer Beeinträchtigung oder gar einem Ausfall einer Zuführung von Kühlluft an die Leitschaufel 22 verändern sich die Druckverhältnisse lokal derart, dass anstelle der Sollströmung f1 eine Fehlerströmung f2 in umgekehrter Strömungsrichtung durch den Strömungskanal 7 strömt. Ein an einem im Bereich der Einströmöffnung 71 angeordneter Temperatursensor S wird dann dem heißeren Fluid der Fehlerströmung f2 ausgesetzt.
Bei der Plattformkavität 4b der 7 kann es sich um eine sogenannte Jenkinson-Kavität oder Rotor-Druckdämpfungskavität handeln. Im Fehlerfall führt die Fehlerströmung f2 hierbei nicht zur Schaffung eines direkten Heißgaspfades. Vielmehr führt die Fehlerströmung f2 Mischluft mit, die lediglich Heißgas enthält, hierdurch aber heiß genug ist, um zu einem sprunghaften Anstieg der am Temperatursensor S gemessenen Temperatur zu führen.
In der 7 ist ferner mit gestrichelten Linien auch noch eine weitere Variante für eine Orientierung des Strömungskanals 7 veranschaulicht. Hierbei mündet der Strömungskanal 7 an einer anderen Stelle in eine (von mehreren) umfangsseitig vorgesehenen Plattformkavitäten 4b.
Bei der Ausführungsvariante der 8A und 8B ist über einen rohrförmigen Strömungskanal 7, als Strömungsführungselement, eine Fluidverbindung zwischen dem Ringraum RR und einer innen liegenden Schaufelkammer 220 einer Leitschaufel 22 der Turbine TT bereitgestellt. Die 8A zeigt dabei eine Seitenansicht der Leitschaufel 22, während die 8B eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie Z-Z der 8A zeigt.
Der rohrförmige Strömungskanal 7 erstreckt sich im Inneren der Leitschaufel 22 in die Schaufelkammer 220 hinein, sodass im störungsfreien Betrieb des Triebwerks T aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse Fluid aus dem Inneren der Leitschaufel 22 über eine Innenöffnung 73b des Strömungskanals 7 in Richtung des Ringraums RR strömen und an einer an der Saugseite des Leitrads 22 vorgesehenen Öffnung 73a ausströmen kann.
Verringert sich ein Druck innerhalb der Schaufelkammer 220 aufgrund einer beeinträchtigten Zuführung von Kühlluft, kann aufgrund der veränderten Druckverhältnisse eine Fehlerströmung f2 auftreten. Die Fehlerströmung f2 führt Fluid über die Öffnung 73a in den Strömungskanal 7, durch den Strömungskanal 7 hindurch und über die Innenöffnung 73b in die Schaufelkammer 220. An einem in dem Strömungskanal 7 angeordneten Temperatursensor S wird dann das heißere Fluid aus dem Ringraum RR vorbeigeführt, wodurch auf eine Störung im Triebwerk T, genauer auch eine Störung in der Zuführung der Kühlluft geschlossen werden kann.
Abweichend von der Darstellung der 8A und 8B kann eine Öffnung des Strömungskanals 7 selbstverständlich auch an einer Druckseite der Leitschaufel 22 vorgesehen sein.
Bei der Ausführungsvariante der 9 ist ein integral ausgebildetes oder angeformtes Kammerbauteil 8 als Strömungsführungselement an einer radial inneren Plattform 21 einer Leitschaufel 22 vorgesehen. Über das Kammerbauteil 8 der 9 wird im Bereich einer Fußplatte des Leitrads 22 eine Fluidverbindung zwischen dem Ringraum RR und einer inneren Plattformkavität 4b bereitgestellt.
Im störungsfreien Betrieb des Triebwerks T strömt auch hier Fluid aus der mit Kühlluft gespeisten Plattformkavität 4b in Richtung des Ringraums RR. Eine entsprechende Sollströmung f1 mit Fluid eine (niedrigeren) Temperatur T1 strömt hierbei über eine innerhalb der Plattformkavität 4b liegende Einströmöffnung 80 des Kammerbauteils 8 durch eine Ausströmöffnung 81 am Fuß des Leitrads 22 in den Ringraum RR. Fällt ein Druck p1 in der Plattformkavität 4b ab, insbesondere unterhalb eines Drucks p2 innerhalb des Ringraums RR, strömt heißeres Fluid der (höheren) Temperatur T2 (mit ΔT zum Beispiel im Bereich von 500 K) mit einer Fehlerströmung f2 aus dem Ringraum RR über die Ausströmöffnung 81 und die Einströmöffnung 80 in die Plattformkavität 4b ein. Ein in dem Kammerbauteil 8 angeordneter Temperatursensor S detektiert dann auch hier einen erheblichen Temperatursprung und gestattet somit automatisch zuverlässig die Erzeugung eines Alarmsignals bei einer auftretenden Störung.
Bei der Ausführungsvariante der 10A und 10B ist ein Strömungsführungselement in Form eines Sensorkopfes 90 einer Sensoreinheit 9 an einer Boroskopöffnung BO eingesetzt. Der Sensorkopf 9 ist dabei dichtend in eine Durchgangsöffnung 201 am Kopf der Leitschaufel 22 eingesetzt. Der Sensorkopf 90 weist hierbei einen dichtenden Dichtkörper D1 auf. In dem in den 10A und 10B veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Sensorkopf 90 beispielsweise am Ende eines Sensorarms 91 vorgesehen, der über einen Befestigungskörper 9a an der Boroskopöffnung BO des Gehäuses G durch eine Verschraubung fixiert ist. Über den Befestigungskörper 9a können dann auch eine oder mehrere Sensorleitungen SL nach außen zu einer elektronischen Auswerteeinheit geführt sein, die Temperatursignale des Temperatursensors S empfängt. Die Abdichtung der gehäuseseitigen Boroskopöffnung BO ist durch einen weiteren Dichtkörper D2 an dem Sensorarm 91 gewährleistet. Indem der Sensorkopf 90 vorliegend in einer ohnehin zu Wartungszwecken vorzusehenden Boroskopöffnung BO eingesetzt ist, lassen sich z.B. etwaige Modifikationen an der Leitschaufel 22 erheblich reduzieren, um die vorgeschlagene Lösung zu implementieren.
Für die Detektion einer Störung innerhalb des Triebwerks T und insbesondere einer Störung in der Zuführung von Kühlluft im Bereich der Leitschaufel 22 weist der Sensorkopf 90 mehrere Öffnungen 900, 901a und 901b zur Leitung von Fluidströmungen f1, f2 auf. Über eine Austrittsöffnung 900 besteht dabei eine Fluidverbindung zu dem Ringraum RR, in dem eine Hauptströmung f zum Drehen der Turbine TT geführt ist. Über Einströmöffnung 901a, 901b besteht wiederum eine Fluidverbindung zu dem radial ausliegenden Außenraum an dem Gehäuse G und/oder einer radial außen liegenden Plattformkavität 4a des Leitrads 2.
Im störungsfreien Betrieb des Triebwerks T wird auch hier druckgetrieben eine Sollströmung f1 über einen in dem Sensorkopf 90 angeordneten Temperatursensor S hinweg geführt, nämlich von den Einströmöffnungen 901a, 901b zu einer oder mehreren Austrittsöffnungen 900. In einem etwaigen Störungsfall strömt demgegenüber in entgegengesetzter Richtung eine Fehlerströmung f2 mit heißeren Fluid aus dem Ringraum RR über die Öffnungen 900 und 901a, 901b nach außen.
Die 11 veranschaulicht anhand eines exemplarischen Ablaufdiagramms die Durchführung einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Verfahrens zur Detektion einer eventuellen Störung an dem Triebwerk T. Beispielsweise kann das Verfahren hierbei mithilfe eines der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen eines Sensorsystems umgesetzt sein, das mindestens ein Strömungsführungselement 5, 6, 7, 8 oder 90 sowie mindestens einen Temperatursensor S umfasst.
Im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens wird beispielsweise in einem ersten Schritt A1 kontinuierlich ein von dem Temperatursensor S geliefertes Temperatursignal überwacht. Wird aufgrund sich ändernder lokaler Druckverhältnisse einer Fehlerströmung f2, f2a oder f2b erzeugt, mit der heißeres Fluid an dem Temperatursensor S vorbei geführt wird, wird mithilfe einer Auswertelogik einer elektronischen Auswerteeinheit AE, die das Temperatursignal von dem mindestens einen Temperatursensor S empfängt, in einem Verfahrensschritt A2 das Vorliegen einer Störung in dem Triebwerk T signalisiert.
Hierbei kann beispielsweise auch über die elektronische Auswerteeinheit AE anhand der Höhe einer gemessenen Temperatur oder eines gemessenen Temperaturanstiegs bewertet werden, ob es sich gegebenenfalls bei der detektierten Störung um eine kritische oder weniger kritische Funktionsbeeinträchtigung handelt, zum Beispiel ob lediglich die Zuführung der Kühlluft reduziert oder aber vollständig ausgefallen ist.
Bezugszeichenliste

11: Niederdruckverdichter
12: Hochdruckverdichter
13: Hochdruckturbine
14: Mitteldruckturbine
15: Niederdruckturbine
2: Turbinenleitrad
20: Äußere Plattform
201: Durchgangsöffnung
20a, 20b: Durchgangsöffnung
21: Innere Plattform
22: Leitschaufel
220: Schaufelkammer (Hohlraum)
220a: Einströmöffnung
220b: Ausströmöffnung
3: Turbinenlaufschaufel
4a, 4b: Plattformkavität (Hohlraum)
5: Kammerbauteil (Strömungsführungselement)
50: Vorkammer
501: Verbindungsöffnung
502: Erste Ausströmöffnung
503: Eintrittsöffnung
504: (Zweite) Ausströmöffnung
51: Strömungskanal
510: Zweite Ausströmöffnung
52: Drosselabschnitt
53: Zusatzkammer
6: Strömungskanal (Strömungsführungselement)
60: Kanalabschnitt
600: Ausströmöffnung
61: Kanalabschnitt
610: Einströmöffnung
62: Kanalabschnitt
620: Einströmöffnung
7: Strömungskanal (Strömungsführungselement)
70: Sensorrohr
71: Einströmöffnung
72: Ausströmöffnung
73a: Öffnung an Saugseite
73b: Innenöffnung
8: Kammerbauteil (Strömungsführungselement)
80: Einströmöffnung
81: Ausströmöffnung
9: Sensoreinheit
90: Sensorkopf (Strömungsführungselement)
900: Ausströmöffnung
901a, 901b: Einströmöffnung
91: Sensorarm
9a: Befestigungskörper
A: Auslass
AE: Elektronische Auswerteeinheit
B: Bypasskanal
BK: Brennkammerabschnitt
BO: Boroskopöffnung
D1, D2: Dichtkörper
E: Einlass / Intake
F: Fan
f: Hauptströmung
f1, f3: Sollströmung
f2, f2a, f2b: Fehlerströmung
FP: Zuführkanal
G: Gehäuse
M: Mittelachse / Rotationsachse
p1, p2, p3, p4: Druck
R: Eintrittsrichtung
RR: Ringraum
S: Temperatursensor
SL: Sensorleitung
T: Gasturbinentriebwerk
T1, T2: Temperatur
TT: Turbine
V: Verdichter

Claims

Triebwerk, mit - mindestens einem Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8, 90) innerhalb des Triebwerks (T), über das in einem störungsfreien Betrieb des Triebwerks (T) wenigstens eine Sollströmung (f1, f3) von Fluid entlang einer ersten Strömungsrichtung geleitet wird und über das bei einer Störung innerhalb des Triebwerks (T) eine Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) von Fluid höherer Temperatur als das Fluid der Sollströmung entlang einer zu der ersten Strömungsrichtung verschiedenen zweiten Strömungsrichtung geleitet wird, und - mindestens einem Temperatursensor (S), der in einem Strömungspfad sowohl der Sollströmung (f1, f3) als auch der Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) liegt.
Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Temperatursensor (S) an oder in dem mindestens einen Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8, 90) positioniert ist.
Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8, 90) ausgebildet ist, die Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) entlang einer zweiten Strömungsrichtung an dem mindestens einen Temperatursensor (S) vorbei zu leiten, die zu der ersten Strömungsrichtung der Sollströmung (f1, f3) entgegengesetzt ist.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsführungselement (5, 6, 8, 90) mit mindestens einem Strömungskanal ausgebildet ist, über den die Sollströmung (f1, f3) und/oder die Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) mindestens einmal umgelenkt wird.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8, 90) im Bereich eines Leitrads (2) einer Turbine (TT) des Triebwerks (T) vorgesehen ist.
Triebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über das mindestens eine Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8) die Sollströmung (f1, f3) aus einem von dem Leitrad (2) zumindest teilweise berandeten Hohlraum (220, 4a, 4b) in Richtung eines Ringraums (RR) des Triebwerks (T) geleitet wird, in dem mindestens eine Leitschaufel (22) des Leitrads (2) angeordnet ist.
Triebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (220) zumindest teilweise im Inneren der Leitschaufel (22) ausgebildet ist.
Triebwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (4a, 4b) zumindest teilweise zwischen einer Plattform (20, 21) des Leitrads (2) und einem Abschnitt eines Gehäuses (G), an dem das Leitrad (2) festgelegt ist, ausgebildet ist.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (220, 4a, 4b) mit mindestens einem Zuführkanal (FP) verbunden ist, über den dem Hohlraum (220, 4a, 4b) im Betrieb des Triebwerks (T) Fluid zugeführt wird, und das Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8) eingerichtet ist, eine entstehende Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) entlang der zweiten Strömungsrichtung zu leiten, wenn die Menge des über den mindestens einen Zuführkanal (FP) zugeführten Fluids unter einen Schwellwert sinkt.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über das mindestens eine Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8) die Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) aus dem Ringraum (RR) des Triebwerks (T) in Richtung des von dem Leitrad (2) zumindest teilweise berandenden Hohlraums (220, 4a, 4b) geleitet wird.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung, über die Fluid in den Ringraum (RR) und/oder aus dem Ringraum (RR) strömen kann, an einer radial äußeren Plattform (20) des Leitrads (2), an einer radial inneren Plattform (21) des Leitrads (2) und/oder an einer Leitschaufel (22) des Leitrads (2) vorgesehen ist.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsführungselement (5) mit einer Kammer (50, 53) und/oder einem Drosselabschnitt (52) ausgebildet ist.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsführungselement (5, 6, 7, 8) integral an einer Leitschaufel (22) des Leitrads (2) ausgebildet ist.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsführungselement (90) an einer Boroskopöffnung (BO) vorgesehen ist.
Verfahren zur elektronischen Detektion einer Störung im Betrieb eines Triebwerks (T), wobei mindestens ein Temperatursensor (S) innerhalb des Triebwerks (T) in einem Strömungspfad positioniert ist, entlang dem in einem störungsfreien Betrieb des Triebwerks (T) wenigstens eine Sollströmung (f1, f3) von Fluid entlang einer ersten Strömungsrichtung strömt und entlang dem bei einer Störung innerhalb des Triebwerks (T) eine Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) von Fluid höherer Temperatur als das Fluid entlang einer zu der ersten Strömungsrichtung verschiedenen zweiten Strömungsrichtung strömt, und durch einen Wechsel von der Sollströmung (f1, f3) zu der Fehlerströmung (f2, f2a, f2b) und einem damit einhergehenden, an dem mindestens einen Temperatursensor (S) auftretendem Temperatursprung eine Störung elektronisch detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einem Triebwerk (T) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durchgeführt wird.