DE112008003400T5 - Bläserströmungsabrissmeldesystem - Google Patents

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Abstract

System zum Erfassen des Beginns eines Strömungsabrisses in einem Rotor, wobei das System aufweist:
Einen Sensor, der auf einer feststehenden Komponente angeordnet ist, die im Abstand radial außerhalb von Spitzen einer Reihe von in Umfangsrichtung verteilt auf dem Rotor angeordneter Schaufeln angeordnet ist, wobei durch den Sensor ein Eingabesignal erzeugbar ist, das einem Strömungsparameter in der Nähe der Spitze einer Schaufel entspricht;
ein Steuersystem durch das ein Rotordrehzahlsignal erzeugbar ist;
einen Korrelationsprozessor, der das Eingabesignal und das Rotordrehzahlsignal empfangen kann, wobei der Korrelationsprozessor ein Stabilitätskorrelationssignal erzeugt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und mehr im Einzelnen ein System zur Detektion eines Strömungsabrisses in einem darin enthaltenen Verdichtersystem, wie etwa einem Bläser.
  • Bei einem Turbofan-Flugzeuggasturbinentriebwerk wird Luft im Betrieb in einem Verdichtersystem verdichtet, das ein Bläsermodul, ein Boostermodul und ein Verdichtermodul aufweist. Bei großen Turbofantriebwerken wird die durch das Bläsermodul durchgehende Luft größten Teils in einen Nebenstrom geleitet und zur Erzeugung des Großteils des zum Antrieb des Flugzeugs im Flug erforderlichen Schubs verwendet. Die durch das Boostermodul und das Verdichtermodul durchgeleitete Luft wird in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt und gezündet, wodurch heiße Verbrennungsgase erzeugt werden, die Turbinenstufen durchströmen, welche daraus Energie zum Antrieb der Bläser-, Booster- und Verdichterrotoren entziehen. Das Bläser-, Booster- und Verdichtermodul haben jeweils eine Reihe Rotor- und Statorstufen. Der Bläser- und der Boosterrotor werden jeweils typischerweise durch eine Niederdruckturbine angetrieben, während der Verdichterrotor durch eine Hochdruckturbine angetrieben ist. Der Bläser- und der Boosterrotor sind mit dem Verdichterrotor aerodynamisch gekoppelt, wenngleich sie normalerweise mit unterschiedlichen mechanischen Drehzahlen arbeiten.
  • Die Möglichkeit des Betriebs innerhalb eines großen Bereichs von Betriebsbedingungen ist eine grundsätzliche Anforderung bei der Auslegung von Verdichtersystemen, wie Bläsern, Boostern und Verdichtern. Moderne Entwicklungen bei hochentwickelten Flugzeugen erforderten den Einsatz von Triebwerken, die tief in dem Flugwerk angeordnet sind, wobei Luft in die Triebwerke durch Einlässe einströmt, die jeweils eine spezielle Geometrie aufweisen, welche beträchtliche Störungen in dem Einlassluftstrom erzeugt. Einige dieser Triebwerke haben außerdem eine Abgasdüse mit unveränderlicher Auftrittsfläche, was die Einsatzmöglichkeit dieser Triebwerke beschränkt. Wesentlich bei der Konstruktion dieser Verdichtersysteme ist der Wirkungsgrad beim Verdichten der Luft mit ausreichendem Strömungsabrissgrenzbereich während der gesamten betriebsmäßigen Flugbewegungen, vom Starten über Reiseflug und Landen. Der Verdichterwirkungsrad und der Strömungsabrissgrenzbereich sind aber normalerweise gegenläufig miteinander verbunden, wobei ein zunehmender Wirkungsgrad typischerweise einer Verkleinerung des Strömungsabrissgrenzbereichs entspricht. Die miteinander im Widerspruch stehenden Anforderungen hinsichtlich des Strömungsabrissgrenzbereichs und des Wirkungsgrads stellen besonders hohe Anforderungen bei Hochleistungsjettriebwerken, die unter erschwerten Betriebsbedingungen, wie starken Einlassstörungen, Düsen mit fester Querschnittsfläche und erhöhter Leistungsabzapfung für Hilfsantriebe arbeiten, wobei aber während des ganzen Flugbetriebs ein hohes Niveau des Stabilitätsgrenzbereichs erforderlich ist.
  • Strömungsabrisse (Stalls) werden normalerweise durch Strömungsablösungen an der Spitze der Rotorschaufeln von Verdichtersystemen, wie im Bläsern, Verdichtern und Boostern er zeugt. Bei den Rotoren von Gasturbinenverdichtersystemen besteht jeweils ein Spaltabstand zwischen den umlaufenden Schaufelnspitzen und einem stationären Gehäuse oder Mantel der die Schaufelspitzen umgibt. Während des Betriebs der Maschine leckt Luft von der Druckseite einer jeweiligen Schaufel durch den Spitzen-Abstand auf die Saugseite. Diese Leckströmungen haben zur Folge, dass sich in dem Spitzenbereich der jeweiligen Schaufel Wirbel ausbilden. Ein Spitzenwirbel kann anwachsen und sich ausbreiten, wenn schwerwiegende Einlassstörungen in der in das Verdichtersystem einströmenden Luft vorhanden sind oder wenn das Triebewerk gedrosselt wird und führen zu einem Verdichter-Strömungsabriss und rufen erhebliche Betriebsstörungen sowie Leistungsverluste hervor.
  • Demgemäß besteht der Wunsch, die Möglichkeit zu haben dynamische Prozesse, wie Strömungsinstabilitäten in einem Gebläse messen und kontrollieren zu können. Es besteht der Wunsch über ein System zu verfügen, das einen Maschinenparameter, der zu dem Einsetzen von Strömungsinstabilitäten in Bezug steht, wie etwa den dynamischen Druck nahe den Schaufelspitzen messen und die gemessenen Daten verarbeiten kann, um einen Strömungsabrissbeginn in einer Stufe eines Verdichtersystems, wie eines mehrstufigen Bläsers vorhersagen zu können. Außerdem wäre es erwünscht über ein System zu verfügen, das Strömungsabrisse von Verdichtersystemen auf der Grundlage von Ausgangsgrößen des Messsystems bei bestimmten Flugmanövern an kritischen Stellen in dem Flugbetrieb vermindern kann und es damit ermöglicht, die Flugmanöver ohne Strömungsabriss oder Pumpen („surge”) abschließen zu können.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die im vorstehenden erwähnten Anforderungen oder Bedürfnisse können durch beispielhafte Ausführungsformen erfüllt werden, die ein System zur Erfassung des Beginns eines Strömungsabrisses in einem Rotor schaffen, wobei das System aufweist: Einen Sensor, der auf einer feststehenden Komponente angeordnet ist, die radial außerhalb und getrennt von Spitzen einer Reihe von ringsum den Rotor angeordneten Schaufeln angeordnet ist, wobei der Sensor ein Eingangssignal erzeugen kann, das einem Strömungsparameter an einem Ort nahe der Spitze einer Schaufel entspricht, ein Steuersystem durch das ein Rotordrehzahlsignal erzeugbar ist und einen Korrelationsprozessor der das Eingangssignal und das Rotordrehzahlsignal empfangen kann, wobei der Korrelationsprozessor ein Stabilitätskorrelationssignal erzeugt. Bei einer anderen Ausführungsform weist ein System zum Erfassen des Beginns eines Störmungsabrisses in einem mehrstufigen Bläserrotor einen Drucksensor auf, der auf einem Spitzen einer Reihe von Bläserschaufeln umgebenden Gehäuse angeordnet ist, wobei der Drucksensor ein Eingangssignal erzeugen kann, das dem dynamischen Druck an einem Ort nahe der Bläserschaufelspitze entspricht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Der als Erfindung betrachtete Gegenstand ist in dem anschließenden Teil der Beschreibung im Einzelnen erläutert und gesondert beansprucht. Die Erfindung ist jedoch am besten unter Bezugnahme auf die anschließende Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungsfiguren zu verstehen, bei denen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des Bläserabschnitts des in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerks ist;
  • 3 ein beispielhaftes Betriebsdiagramm eines Verdichtersystems in dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk ist;
  • 4a die Ausbildung eines Bereichs mit Schaufelspitzenwirbeln in einer Bläserstufe zeigt;
  • 4b die Ausbreitung des in 4a dargestellten Schaufelspitzenwirbels veranschaulicht;
  • 4c die Wirbelströmung in einem Schaufelspitzenbereich während eines Strömungsabrisses veranschaulicht;
  • 5a eine schematische Schnittansicht des Spitzenbereichs einer Schaufel mit einer beispielhaften Ausführungsform einen Strömungsabrisserfassungssystems ist;
  • 6 eine schematische skizzenhafte Darstellung einer beispielhaften Anordnung mehrerer Sensoren bei einem Strömungsabrisserfassungssystem ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bezug nehmend auf die Zeichnung in der gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten jeweils die gleichen Elemente bezeichnen, veranschaulicht 1 ein beispielhaftes Turbofangasturbinentriebwerk 10, das eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Es weist eine Triebwerksmittelachse 8, einen Bläserabschnitt 12, der Umgebungsluft 14 aufnimmt, einen Hochdruckverdichter (HPC) 18, eine Brennkammer 20, die Brennstoff mit der von dem HPC 18 verdichteten Luft zur Erzeugung von Verbrennungsgasen oder einer Gasströmung, die strömungsabwärts durch eine Hochdruckturbine (HPT) 22 strömt vermischt und eine Niederdruckturbine (LPT) 24 auf, von der aus die Verbrennungsgase aus dem Triebwerk 10 ausgestoßen werden. Viele Triebwerke haben einen Booster oder einen (in 1 nicht dargestellten) Niederdruckverdichter, der zwischen dem Bläserabschnitt und dem HPC angeordnet ist. Ein Teil der den Bläserabschnitt 12 durchströmenden Luft wird um den Hochdruckverdichter 18 herum durch einen Bypasskanal 21 abgezweigt, der einen Eingang oder Splitter 23 zwischen dem Bläserabschnitt 10 und dem Hochdruckverdichter 18 aufweist. Der HPT 22 ist an dem HPC 18 so angeschlossen, dass er im Wesentlichen einen Hochdruckrotor 29 ausbildet. Eine Niederdruckwelle 28 verbindet den LPT 24 mit dem Bläserabschnitt 12 und, falls verwendet, dem Booster. Die zweite oder Niederdruckwelle 28 ist koaxial mit und radial einwärts von dem ersten oder Hochdruckrotor drehbar angeordnet. Bei den in den 1, 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der Bläserabschnitt 12 wie bei vielen Gasturbinentriebwerken einen mehrstufigen Bläserrotor auf, der jeweils durch eine ers te, zweite und dritte Bläserrotorstufe 12a, 12b bzw. 12c veranschaulicht ist.
  • Der Bläserabschnitt 12, der die durchströmende Luft verdichtet ist achssymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse 8. Der Bläserabschnitt 12 beinhaltet mehrere Einlassleitschaufeln (IGV) 30 und mehrere Statorschaufeln 31, die in Umfangsrichtung ringsum die Längsmittelachse 8 herum angeordnet sind. Die Rotorstufen 12 des mehrstufigen Bläsers des Bläserabschnitts 12 weisen entsprechende Bläserrotorschaufeln 40a, 40b, 40c auf, die sich von entsprechenden Rotornaben 39a bzw. 39b bzw. 39c in Gestalt getrennter Scheiben oder integraler Blisks oder ringförmiger Trommeln in irgendeiner gebräuchlichen Weise radial nach außen erstrecken.
  • Mit einer Bläserrotorstufe 12a, 12b, 12c arbeitet eine jeweils entsprechende Statorstufe zusammen, die eine Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Statorschaufeln 31a, 31b, 31c aufweist. Die Anordnung der Statorschaufeln und der Rotorschaufeln ist in 2 veranschaulicht. Die Rotorschaufeln 40 und die Statorschaufeln 31 bilden Schaufelblätter aus die entsprechende aerodynamische Profile oder Umrissgestaltungen haben um den Luftstrom in aufeinander folgenden axialen Stufen zu verdichten. Jede Bläserrotorschaufel 40 verfügt über ein sich von einem Schaufelfuß 45 radial nach außen zu einer Schaufelspitze 46 erstreckendes Schaufelblatt 34, eine Druckseite 43, eine Saugseite 44, eine Vorderkante 41 und eine Hinterkante 42.
  • Das Schaufelblatt 34 erstreckt sich in Sehnenrichtung zwischen der Vorderkante 41 und der Hinterkante 42. Eine Sehne C des Schaufelblatts 34 ist jeweils die Länge zwischen der Vorderkante 41 und der Hinterkante 42 bei jedem radialen Querschnitt der Schaufel. Die Druckseite 43 des Schaufelblatts 34 weist in die allgemeine Drehrichtung des Bläserrotors während die Saugseite 44 auf der anderen Seite des Schaufelblatts liegt. Die Rotorschaufeln 40 der vorderen Stufe laufen in einem ringförmigen Gehäuse 50 um, das die Rotorschaufelspitzen umgibt. Die Rotorschaufeln der hinteren Stufe laufen typischerweise in einem ringförmigen Kanal um, der durch Mantelsegmente 51 gebildet ist, die ringsum die Schaufelspitzen 46 angeordnet sind. Im Betrieb wird der Druck der Luft erhöht, während die Luft verlangsamt wird und durch die Stator- und Rotorschaufelblätter durchtritt.
  • Das Betriebsdiagramm eines beispielhaften Verdichtersystems, wie des Bläserabschnitts 12, des beispielhaften Gasturbinentriebwerks 10, ist in 3 mit dem korrigiertem Einlassströmungsdurchsatz längs der X-Achse und dem Druckverhältnis auf der Y-Achse veranschaulicht. Betriebskennlinien 114, 116 und die Strömungsabrisskennlinie 112 sind zusammen mit Kennlinien 122, 124 konstanter Drehzahl dargestellt. Die Kennlinie 124 stellt eine Kennlinie niedrigerer Drehzahl dar während die Kennlinie 122 eine Kennlinie höherer Drehzahl wiedergibt. Wenn das Verdichtersystem bei einer konstanten Drehzahl gedrosselt wird, etwa bei der Kennlinie 124 konstanter Drehzahl, nimmt der korrigierte Einlassstromdurchsatz ab, während sich das Druckverhältnis erhöht und der Betrieb des Verdichtersystems sich näher an die Strömungsabrisskennlinie 112 heranbewegt. Jede Betriebsbedingung hat einen entsprechenden Verdichterwirkungsgrad, der üblicherweise als das Verhältnis der idealen (isentropischen) zugeführten Verdichterarbeit zu der tatsächlichen zugeführten Arbeit definiert ist, die erforderlich ist um ein gegebenes Druckverhältnis zu erzielen. Der Verdichterwirkungsgrad jeder Betriebsbedingung ist in dem Betriebsdiagramm in Gestalt von Umrisslinien konstanten Wirkungsgrads, wie den in 3 veranschaulichten Gebilden 118, 120, dargestellt. Das Betriebsdiagramm weist einen Bereich höchsten Wirkungsgrads auf, der in 3 als der kleinste Umriss 120 dargestellt ist, und es wird angestrebt die Verdichtersysteme so weit wie möglich in dem Bereich des höchsten Wirkungsgrads zu betreiben. Strömungsstörungen in dem Einlassluftstrom 14, der in den Bläserabschnitt 12 eintritt neigen dazu, Strömungsinstabilitäten hervorzuruqfen, wenn die Luft von Bläserschaufeln (und den Verdichtersystemschaufeln) verdichtet wird, und die Strömungsabrisskennlinie 112 neigt dazu tiefer abzufallen. Wie im Nachfolgenden weiter erläutert, schaffen die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein System zu Detektion, d. h. zum Erfassen der Strömungsinstabilitäten in dem Bläserabschnitt 12, wie sie etwa von Strömungsstörungen herrühren und zur Verarbeitung der Information aus dem Bläserabschnitt um einen bevorstehenden Strömungsabriss in einem Bläserrotor vorherzusagen. Die hier dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben es anderen Systemen in dem Triebwerk, die in dem jeweils erforderlichen Maße darauf ansprechen können, den Strömungsabriss-Grenzbereich von Bläserrotoren und anderen Verdichtersystem zweckentsprechend zu handhaben.
  • Es ist bekannt, dass von Einlassströmungsströmungen herrührende Strömungsabrisse in Bläserrotoren und Strömungsabrisse in anderen Verdichtersystemen die gedrosselt werden, durch eine Strömungsablösung in dem Spitzenbereich 52 von Rotoren, etwa den 2 dargestellten Bläserrotoren 12a, 12b, 12c hervorgerufen werden. Diese Strömungsablösung an der Spitze ist begleitet von einer Spitzenleckagewirbelbildung, die in den 4a, 4b und 4c auf der Grundlage von berechneten Fluiddynamikanalysen in Form von Umrissdiagrammen von Bereichen mit einer negativen Achsialgeschwindigkeit dargestellt ist. Ein Spitzenleckagewirbel 200 entsteht zunächst an der Rotorschaufelspitze 46 nahe der Vorderkante 41. In dem Bereich dieses Wirbels 200 besteht eine Strömung, die eine negative axiale Geschwindigkeit aufweist, das heißt die Strömung in diesem Bereich ist dem Hauptströmungskörper entgegengerichtet und ist in hohem Maße unerwünscht. Wenn er nicht unterbrochen wird, breitet sich der Spitzenwirbel 200 axial nach hinten und tangential von der Schaufelsaugseite 44 auf die anschließende Schaufeldruckseite 43 aus, wie dies in 4b dargestellt ist. Sobald sie die Druckseite 43 erreicht, beginnt die Strömung sich in einem Sperrbereich an der Spitze zwischen den Schaufeln anzusammeln, wie dies in 4c dargestellt ist und einen hohen Verlust hervorzurufen. Wenn die Einlassströmungsstörungen schwerwiegender werden oder wenn ein Verdichtersystem gedrosselt wird, wird die Blockade in dem Strömungsweg zwischen den benachbarten Schaufeln zunehmend größer und wird schließlich so groß, dass das Rotordruckverhältnis unter seinen Nennwert abfällt und bewirkt, dass der Bläserrotor einen Strömungsabriss erleidet. Nahe einem Strömungsabriss ist das Verhalten der Schaufelkanal-Strömungsfeldstruktur, speziell der Wirbelbahn im Schaufelspitzenfreiraum, rechwinklig zu der Axialrichtung, wobei der Spitzenfreiraumwirbel 200 die Vorderkanten 41 benachbarter Schaufeln 40 überspannt, wie dies in 4c dargestellt ist. Der Wirbel 200 startet von der Vorderkante 41 auf der Saugseite 44 der Schaufel 40 und bewegt sich zu der Vorderkante 41 auf der Druckseite der benachbarten Schaufel 40, wie dies in 4c veranschaulicht ist.
  • Die Möglichkeit einen dynamischen Prozess, wie eine Strömungsinstabilität in einem Verdichtungssystem, zu kontrollieren, erfordert eine Messung einer charakteristischen Größe des Prozesses unter Benutzung eines kontinuierlichen Messverfahrens oder unter Verwendung von Samples einer ausreichend großen Zahl diskreter Messwerte. Um Bläserströmungsabrisse bei bestimmten Flugmanövern an kritischen Stellen in dem Flugverlauf, bei denen der Stabilitätsgrenzabstand klein oder negativ ist, zu entschärfen, wird in dem Triebwerk zunächst ein Strömungsparameter gemessen, der direkt oder mit geringer zusätzlicher Verarbeitung dazu verwendet werden kann, das Einsetzten eines Strömungsabrisses einer Stufe eines mehrstufigen Bläsers, wie er in 2 dargestellt ist, vorherzusagen.
  • 2 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems 500 zur Erfassen des Einsetzens einer aerodynamischen Instabilität, etwa eines Strömungsabrisses oder Pumpens in einer Verdichterstufe in einem Gasturbinentriebwerk 10. Bei der in 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsform weist ein dargestellter Bläserabschnitt 12 einen dreistufigen ersten Rotor 12a, 12b und 12c auf. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch in einem einstufigen Bläser oder in einem anderen Verdichtungssystem einer Gasturbinenmaschine, etwa einem Hochdruckverdichter 18 oder einem Niederdruckverdichter oder einem Booster eingesetzt werden. Bei den hier veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen wird ein Drucksensor 502 dazu verwendet, den örtlichen dynamischen Druck nahe dem Spitzenbereich 52 der Bläserschaufelspitzen 46 während des Triebwerkbetriebs zu messen. Wenngleich ein einziger Sensor 502 für die Steue rungsparametermessungen verwendet werden kann, so wird doch der Einsatz von wenigstens zwei Sensoren 502 bevorzugt, weil bei längeren Triebwerksbetriebszeiträumen einige Sensoren ausfallen können. Bei einer in 2 dargestellten Ausführungsform sind mehrere Drucksensoren 502 ringsum die Spitzen aller drei Bläserrotorstufen 12a, 12b, 12c verwendet.
  • Bei der in 5 dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist der Drucksensor 502 in einem Gehäuse 50 angeordnet, das radial außerhalb und im Abstand von den Bläserschaufelspitzen 46 angeordnet ist. Alternativ kann der Drucksensor 502 auf einem Mantelsegment 51 angeordnet sein, das radial außerhalb der Schaufelspitzen angeordnet ist. Das Gehäuse 50 oder eine Anzahl Mantelelemente 51 umgibt die Spitzen einer Reihe Schaufeln 47. Die Drucksensoren 502 sind, wie in 6 dargestellt, auf dem Gehäuse 50 oder den Mantelelementen 51 in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die mehrere Sensoren auf einer Rotorstufe verwendet, sind die Sensoren 502 an im Wesentlichen diametral einander gegenüberliegenden Orten an dem Gehäuse oder dem Mantel angeordnet.
  • Während des Triebwerkbetriebes ist ein wirksamer Abstand 48 zwischen der Schaufelblattspitze und dem Gehäuse 50 oder Mantel 51 (5) vorhanden. Der Sensor 502 kann in Echtzeit ein Eingangssignal 504 erzeugen, das einem Strömungsparameter, etwa dem dynamischen Druck in dem Schaufelspitzenbereich 52 nahe der Schaufelspitze 46 entspricht. Es wird ein ausreichend empfindlicher Wandler mit einem Ansprechvermögen verwendet, das höher ist als die Schaufelvorbeilauffrequenz. Typischerweise weisen diese Wandler einen ausnutzbaren Frequenzgang von mehr als 1000 Hz auf. Bei den hier veranschau lichten beispielhaften Ausführungsformen sind die eingesetzten Sensoren 502 von Kulite Semiconductor Products hergestellt. Es ist vor zu ziehen ein Hochfrequenzsampling der dynamischen Druckmesswerte, z. B. etwa zehn mal der Schaufelvorbeilauffrequenz zu benutzen.
  • Die Strömungsparametermessung von dem Sensor 502 erzeugt ein Signal, das von einem Korrelationsprozessor 510 als Eingangssignal 504 verwendet wird. Der Korrelationsprozessor 510 empfängt als Eingabe auch ein Rotordrehzahlsignal 506, das der Drehzahl des Bläserrotors 12a, 12b, 12c entspricht, wie dies in den 1, 2 und 5 dargestellt ist. Bei den hier veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen wird das Bläserrotordrehzahlsignal 506 durch ein gebräuchliches Triebswerksteuersystem 74 übermittelt, das bei Gasturbinenmaschinen verwendet wird. Alternativ kann das Bläserrotordrehzahlsignal 506 von einem digitalen elektronischen Steuersystem oder einem selbstständigen digitalen elektronischen Steuersystem (FADEC-System = Full Authority Digital Electronic Control System) geliefert werden, wie es bei einem Flugtriebwerk eingesetzt ist.
  • Der Korrelationsprozessor 510 empfängt das Eingabesignal 504 von dem Sensor 502 und das Rotordrehzahlsignal 506 von dem Steuersystem 74 und erzeugt in Echtzeit ein Stabilitätskorrelationssignal 512 unter Verwendung gebräuchlicher numerischer Verfahren. Es können aus der veröffentlichten Literatur entnehmbare Autokorrelationsverfahren verwendet werden. Bei den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen verwenden die Algorithmen des Korrelationsprozessors 510 das vorhandene Drehzahlsignal von der Triebwerkssteuerung zur Zyklussynchronisierung. Der Korrelationsmesswert wird für in dividuelle Druckwandler oberhalb von Rotorschaufelspitzen berechnet. Das Autokorrelationssystem bei den hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sampelt ein Signal von einem Drucksensor 502 mit einer Frequenz von 200 KHz. Dieser verhältnismäßig hohe Wert der Abtast- oder Samplingfrequenz stellt sicher, dass die Daten mit einer Rate von wenigstens zehn mal der Schaufelblatt-40-Durchlauffrequenz abgetastet werden. Ein Fenster von zweiundsiebzig Sampeln wurde dazu verwendet die Autokorrelation zu berechnen, welche einen Wert von nahe der Einheit längs der Betriebskennlinie 116 zeigt und die gegen Null zu abfällt, wenn der Betrieb sich der Strömungsabriss-/Pumpkennlinie 112 nähert (vergleiche 3). Bei einer speziellen Bläserstufe 12a, 12b, 12c gilt, dass wenn sich der Stabilitätsgrenzabstand Null annähert, die jeweilige Bläserstufe am Rande eines Strömungsabrisses steht und der Korrelationsmesswert ein Minimum aufweist. Bei Systemen die dazu ausgelegt sind, einen Strömungsabriss oder ein Pumpen in einem Verdichtungssystem zu vermeiden, empfängt, wenn der Korrelationsmesswert unter einen ausgewählten und vorher eingestellten Grenzwertpegel absinkt, ein Stabilitätsmanagementsystem das Stabilitätskorrelationssignal 512 und sendet ein elektrisches Signal zu dem Triebswerkssteuersystem, beispielsweise einem FADEC-System, das seinerseits, unter Verwendung der vorhandenen Steuereinrichtungen, eine geeignete Korrekturmaßnahme ergreifen kann, um das Triebwerk vom Pumpen wegzubringen. Die Verfahren, die von dem Korrelationsprozessor 510 zur Abschätzung des aerodynamischen Stabilitätsniveaus bei einer hier dargestellten beispielhaften Ausführungsform verwendet werden, sind in dem Artikel „Development and Demonstration of a Stability Management System for Gas Turbine Engines", Proceedings of GT2006 ASME Turbo Expo 2006, GT2006-90324 beschrieben.
  • 5 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Sensor 502 verwendet, der in einem Gehäuse 50 in der Nähe der Mitte einer Blattspitzensehne eines Schaufelblattes 40 angeordnet ist. Der Sensor ist in dem Gehäuse 50 derart angeordnet, dass er den dynamischen Druck der Luft in dem Freiraum 48 zwischen einer Bläserschaufelspitze 46 und der inneren Oberfläche 53 des Gehäuses 50 messen kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Sensor 502 in einer Ringnut 54 in dem Gehäuse 50 untergebracht. Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen ist es möglich, zum Beispiel mehrere Ringnuten 54 in dem Gehäuse 50 vorzusehen, um damit für Stabilität bei Spitzenströmungsmodifikationen Vorsorge zu treffen. Wenn mehrere Nuten vorhanden sind, ist der Sensor 502 in einigen dieser Nuten angeordnet, wobei die gleichen Prinzipien und Beispiele Verwendung finden, wie sie hier dargelegt sind. Wenngleich der Sensor in 5 so veranschaulicht ist, dass er in einem Gehäuse 50 angeordnet ist, so kann bei anderen Ausführungsformen der Drucksensor 502 in einem Mantel 51 angeordnet sein, der radial außerhalb und im Abstand von den Schaufelspitzen 46 angeordnet ist. Der Drucksensor 502 kann auch in einem Gehäuse 50 (oder Mantel 51) nahe bei der Spitze der Vorderkante 41 oder der Spitze der Hinterkante 42 der Schaufel 40 angeordnet sein.
  • 6 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von mehreren Sensoren 502 in einer Bläserstufe, wie etwa dem Element 40a der 2. Die mehreren Sensoren 502 sind in dem Gehäuse 50 (oder dem Mantel 51) in einer Umfangsrichtung angeordnet, derart, dass jeweils Paare von Sensoren 502 einan der im Wesentlichen diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Der Korrelationsprozessor 510 empfängt Eingangssignale 504 von diesen Sensorpaaren und verarbeitet jeweils Signale von den Paaren zusammen. Die Unterschiede in den gemessenen Daten von diametral einander gegenüberliegenden Sensoren eines Paares können besonders zweckmäßig bei der Entwicklung eines Stabilitätskorrelationssignals 512 zum Erfassen des Beginns eines Bläserströmungsabrisses, herrührend von Strömungsstörungen im Triebwerkseinlass sein.
  • Die in der Beschreibung benutzten Ausführungsbeispiele zur Offenbarung der Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart dienen auch dazu, einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu benutzen. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann auch andere Ausführungsbeispiele umfassen, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Derartige weitere Ausführungsbeispiele sollen in dem Schutzbereich der Patentansprüche liegen, wenn sie Strukturelemente enthalten, die sich von dem Wortlaut der Patentansprüche nicht unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zu dem Wortlaut der Patentansprüche beinhalten.
  • Zusammenfassung:
  • Es ist ein System zur Erfassung des Beginns eines Strömungsabrisses in einem Rotor geoffenbart, wobei das System aufweist: Einen Sensor, der auf einer feststehenden Komponente im radialen Abstand außerhalb und getrennt von Spitzen einer Reihe von in Umfangsrichtung verteilt auf dem Rotor angeordneter Schaufeln angeordnet ist, wobei durch den Sensor ein Eingangssignal erzeugbar ist, das einem Strömungsparameter an einem Ort in der Nähe der Spitze einer Schaufel entspricht, ein Steuersystem durch das ein Rotordrehzahlsignal erzeugbar ist und einen Korrelationsprozessor, der das Eingangssignal und das Rotordrehzahlsignal empfangen kann, wobei der Korrelationsprozessor ein Stabilitätskorrelationssignal erzeugt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - „Development and Demonstration of a Stability Management System for Gas Turbine Engines”, Proceedings of GT2006 ASME Turbo Expo 2006, GT2006-90324 [0027]

Claims (21)

  1. System zum Erfassen des Beginns eines Strömungsabrisses in einem Rotor, wobei das System aufweist: Einen Sensor, der auf einer feststehenden Komponente angeordnet ist, die im Abstand radial außerhalb von Spitzen einer Reihe von in Umfangsrichtung verteilt auf dem Rotor angeordneter Schaufeln angeordnet ist, wobei durch den Sensor ein Eingabesignal erzeugbar ist, das einem Strömungsparameter in der Nähe der Spitze einer Schaufel entspricht; ein Steuersystem durch das ein Rotordrehzahlsignal erzeugbar ist; einen Korrelationsprozessor, der das Eingabesignal und das Rotordrehzahlsignal empfangen kann, wobei der Korrelationsprozessor ein Stabilitätskorrelationssignal erzeugt.
  2. System nach Anspruch 1, das außerdem aufweist: Mehrere Sensoren, die auf der feststehenden Komponente im Abstand außerhalb und getrennt von den Spitzen der Schaufelreihe angeordnet sind.
  3. System nach Anspruch 2, bei dem der Sensor ein Drucksensor ist.
  4. System nach Anspruch 2, bei dem der Sensor ein Drucksensor ist, durch den ein Drucksignal erzeug bar ist, das dem dynamischen Druck an einem Ort in der Nähe der Schaufelspitze entspricht.
  5. System nach Anspruch 1 das außerdem aufweist: Mehrere Sensoren, die in Umfangsrichtung verteilt auf der feststehenden Komponente rings um eine Drehachse des Rotors und von Spitzen der Schaufelreihe radial nach außen zu beabstandet und getrennt angeordnet sind.
  6. System nach Anspruch 2, bei dem die feststehende Komponente ein Gehäuse ist.
  7. System nach Anspruch 2, bei dem die feststehende Komponente ein Mantel ist.
  8. System nach Anspruch 1, bei dem der Rotor mehrere Bläserrotoren aufweist.
  9. System nach Anspruch 1, bei dem der Sensor an einem Ort der feststehenden Struktur angeordnet ist, der der Sehnenmitte einer Schaufel entspricht.
  10. System nach Anspruch 1, bei dem der Sensor an einem Ort der feststehenden Struktur angeordnet ist, der der Vorderkante einer Schaufel entspricht.
  11. System zum Erfassen des Beginns eines Strömungsabrisses in einem Bläserrotor, das aufweist: Einen Drucksensor, der auf einer feststehenden Komponente angeordnet ist, die Spitzen einer Reihe von Bläserschau feln umgibt, wobei durch den Drucksensor ein Eingabesignal erzeugbar ist, das dem dynamischen Druck an einem Ort in der Nähe der Schaufelspitze entspricht; ein Steuersystem durch das ein Bläserrotordrehzahlsignal erzeugbar ist; und einen Korrelationsprozessor, der das Eingabesignal und das Bläserdrehzahlsignal empfangen kann, wobei der Korrelationsprozessor ein Stabilitätskorrelationssignal erzeugt.
  12. System nach Anspruch 11, das außerdem mehrere Bläserrotoren aufweist, wobei mehrere Drucksensoren auf der, Spitzen jeweils einer Reihe von Bläserschaufeln von wenigstens zwei Bläserrotoren umgebenden, feststehenden Komponente angeordnet sind.
  13. System nach Anspruch 11, das außerdem mehrere Sensoren aufweist, die in Umfangsrichtung verteilt auf der feststehenden Komponente rings um eine Drehachse des Rotors angeordnet und von Spitzen der Bläserschaufelreihe radial nach außen zu beabstandet und getrennt sind.
  14. System nach Anspruch 11, bei dem eine Bläserschaufelspitze während der Erzeugung des Drucksignals mit Überschallgeschwindigkeit arbeitet.
  15. System nach Anspruch 11, bei dem der Korrelationsprozessor das Eingabesignal von mehreren Drucksensoren und das Rotordrehzahlsignal empfängt um ein Korrelationssignal zu erzeugen.
  16. System nach Anspruch 11, bei dem der Korrelationsprozessor ein Korrelationssignal auf der Basis des jeweiligen Eingangssignals von mehreren Drucksensoren und des Rotordrehzahlsignals erzeugt.
  17. System nach Anspruch 11, bei dem der Korrelationsprozessor ein Korrelationssignal auf der Basis des Eingabesignals von Drucksensoren erzeugt, die auf der feststehenden Komponente angeordnet sind, welche Spitzen einer jeweiligen Schaufelreihe von wenigstens zwei Bläserrotoren umgibt.
  18. System nach Anspruch 11, bei dem die feststehende Komponente ein Gehäuse ist;
  19. System nach Anspruch 11, bei dem die statische Komponente ein Mantel ist.
  20. System nach Anspruch 11, bei dem der Sensor an einem Ort auf der feststehenden Struktur angeordnet ist, der der Sehnenmitte einer Bläserschaufel entspricht.
  21. System nach Anspruch 11, bei dem der Sensor an einem Ort auf der feststehenden Struktur angeordnet ist, die der Vorderkante einer Bläserschaufel entspricht.
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