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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und mehr im Einzelnen
ein System zur Detektion einer Instabilität, etwa eines
Strömungsabrisses in einem Verdichtungssystem, wie einem
Bläser oder einem Verdichter, das in einer Gasturbinenmaschine
eingesetzt ist.
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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 größtenteils
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.
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Die
Möglichkeit des Betriebs innerhalb eines großen
Bereichs von Betriebsbedingungen ist eine grundsätzliche
Anforderung bei der Auslegung von Verdichtungssystemen, wie Bläsern,
Bonstern und Verdichtern. Moderne Entwicklungen bei hoch entwickelten
Flugzeugen erfordern 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 diese Triebwerke haben außerdem eine Abgasdüse
mit unveränderlicher Austrittsfläche, was die
Einsatzmöglichkeit dieser Triebwerke beschränkt.
Wesentlich bei der Konstruktion dieser Verdichtungssysteme ist der
Wirkungsgrad beim Verdichten der Luft mit ausreichendem Strömungsabrissgrenzbereich
während der gesamten betriebsmäßigen
Flugbewegungen vom Starten über Reiseflug und Landen. Der
Verdichterwirkungsgrad 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 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.
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Instabilitäten,
wie etwa Strömungsabrisse (stalls) werden normalerweise
durch Strömungsablösungen an den Schaufelblättern
von Rotorschaufeln und Statorschaufeln von Ver dichtungssystemen
wie Bläsern, Verdichtern und Bonstern hervorgerufen. Bei
den Rotoren von Gasturbinenverdichtersystemen besteht jeweils ein
Spaltabstand zwischen den umlaufenden Schaufelspitzen 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 auf den Rotorschaufeln und
den Statorschaufeln in Spannweiten-Richtung und in Sehnenrichtung
ausbreiten. Wenn schwerwiegende Einlassstörungen in der
in das Verdichtersystem einströmenden Luft vorhanden sind
oder wenn das Triebwerk gedrosselt wird, können Strömungsablösungen
an den Stator- und Rotorschaufelblättern auftreten und
zu einem Verdichter-Strömungsabriss führen, sowie
erhebliche Betriebsstörungen und Leistungsverluste hervorrufen.
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Demgemäß besteht
der Wunsch die Möglichkeit zu haben, dynamische Prozesse,
wie Strömungsinstabilitäten in Verdichtungssystemen
messen und kontrollieren zu können. Es besteht der Wunsch über
ein Detektionssystem zu verfügen, das einen Parameter des
Verdichtungssystems, der mit dem Einsetzen von Strömungsinstabilitäten
in Bezug steht, wie etwa den dynamischen Druck nahe den Schaufelspitzen
oder an anderen Orten messen kann und das die gemessenen Daten verarbeiten kann,
um den Beginn einer Instabilität, etwa eines Strömungsabrisses
in Verdichtungssystemen, wie Bläsern, Bonstern und Verdichtern
zu erfassen. Es wäre erwünscht, über
ein Schutzsystem zu verfügen, das Instabilitäten
des Verdichtungssystems auf der Grundlage von Ausgangsgrößen
des Detektionssystems bei bestimmten Flugmanövern an kritischen Stellen
in dem Flugbetrieb verhindern kann und es ermöglicht, die
Flugmanöver ohne Instabilitäten, wie Strömungsabrisse
und Pumpen (surge) abschließen zu können. Es besteht
der Wunsch nach einem Instabilitätsschutzsystem, das das
Detektionssystem und das Schutzsystem steuern und managen kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
im Vorstehenden erwähnten Anforderungen oder Bedürfnisse
können durch beispielhafte Ausführungsformen erfüllt
werden, die ein Kompressionssystem schaffen, wobei das Kompressionssystem
aufweist: Eine Statorstufe mit einer in Umfangsrichtung sich erstreckenden
Reihe von Statorschaufeln, die jeweils ein Schaufelblatt aufweisen,
einen Rotor mit einer in Umfangsrichtung sich erstreckenden Reihe
von Schaufeln, von denen jede Schaufel ein Schaufelblatt aufweist,
wobei die Statorstufe axial vor oder hinter der Rotorstufe angeordnet
ist, ein Detektion- oder Erfassungssystem zum Erfassen einer Instabilität
in dem Rotor während des Betriebs, ein Schutzsystem, das
wenigstens einen auf einer Schaufel angeordneten Plasmaaktuator
aufweist, der die Verbesserung der Stabilität des Verdichtungssystems
unterstützt und ein Steuersystem zur Steuerung des Betriebs
des Schutzsystems.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Gasturbinenmaschine
geoffenbart, die einen Bläserabschnitt, ein Erfassungssystem
zum Erfassen einer Instabilität während des Betriebs
des Bläserabschnitts und ein Schutzsystem aufweist, das die
Verbesserung der Stabilität des Bläserabschnitts unterstützt.
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Bei
einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein Schutzsystem
zum Erfassen des Beginns eine Instabilität im Rotor eines
mehrstufigen Verdichtungssystems geoffenbart, das einen Drucksensor
aufweist, der auf einem Spitzen einer Reihe von Rotorschaufel umgebenden
Gehäuse angeordnet ist, wobei durch den Drucksensor ein
Eingangssignal erzeugbar ist, das dem dynamischen Druck an einem
Ort nahe der Rotorschaufelspitze entspricht.
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Bei
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein Schutzsystem
zur Unterdrückung von Instabilitäten des Verdichtungssystems
zur Erhöhung des stabilen Betriebsbereichs eines Verdichtungssystems
geschaffen, wobei das System wenigstens einen Plasmagenerator aufweist,
der auf einer Rotorstufe des Verdichtungssystems angeordnet ist.
Der Plasmagenerator weist eine erste Elektrode. und eine zweite
Elektrode auf, die durch ein dielektrisches Material voneinander
getrennt sind. Durch den Plasmagenerator ist ein Plasma zwischen
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausbildbar.
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Bei
einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform ist der
Plasmaaktuator auf dem Rotorschaufelblatt in einer allgemein spannweitenweisen Richtung
angeordnet. Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Plasmaaktuatorsystem einen Plasmaaktuator auf, der auf
einer beweglichen Klappe einer Einlassleitschaufel angeordnet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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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 beigefügten
Zeichnungsfiguren zu verstehen, bei denen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Gasturbinentriebwerks mit
einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht eines Teils des Bläserabschnitts
des in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerks unter Veranschaulichung
einer beispielhaften Ausführungsform von auf Rotor- und
Statorschaufelblättern angeordneten Plasmaaktuatoren ist.
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Ein
beispielhaftes Betriebsdiagramm eines Verdichtungssystems in dem
in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk ist;
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4 eine
schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Veranschaulichung eines auf einer
feststehenden Komponente angeordneten beispielhaften Erfassungssystems
ist;
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5 eine
schematische Veranschaulichung eines Schutzsystems mit einem in 2 dargestellten
Plasmaaktuator im angeregten Zustand ist;
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6 zwei
Statorstufen mit einer beispielhaften Anordnung von Plasmaaktuatoren
und einem auf einer feststehenden Komponente nahe dem Rotorschaufelspitzenbereich
an geordneten Erfassungssystem zeigt;
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7 eine
Schnittdarstellung eines Rotorschaufelblatts mit einer beispielhaften
Anordnung von mehreren Plasmaaktuatoren ist, die auf dem Schaufelblatt
angeordnet sind;
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8 eine
isometrische Abbildung einer Rotorschaufel mit einer beispielhaften
Anordnung von zwei Plasmaaktuatoren ist, die im Wesentlichen in
einer Spannweiten-Richtung angeordnet sind:
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9 ist
eine schematische Skizze einer beispielhaften Ausführungsform
eines Instabilitätsschutzsystems unter Veranschaulichung
einer beispielhaften Anordnung von mehreren Sensoren, die auf einem
Gehäuse angeordnet sind und von Plasmaaktuatoren, die auf
einer Rotorstufe und einer Statorstufe angebracht sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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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, einem
Bläserabschnitt 12, der Umgebungsluft 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.
Die HPT 22 ist an den HPC 18 so angeschlossen,
dass sie im Wesentlichen einen Hochdruckrotor 29 ausbildet.
Eine Niederdruckwelle 28 verbindet die 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, der jeweils durch eine erste,
zweite und dritte Blä serrotorstufe 12a, 12b und bzw. 12c veranschaulicht
ist, sowie mehrere Statorstufen 31 auf, von denen jede
Statorstufe eine in Umfangsrichtung sich erstreckende Reihe Statorschaufeln,
wie 31a, 31b und 31c, enthält.
Jede Statorstufe ist axial vor oder hinter einer Rotorstufe wie
etwa 12a, angeordnet. Wie beispielsweise in 2 dargestellt, ist
die eine in Umfangsrichtung sich erstreckende Reihe von Statorschaufeln 31a aufweisende
Statorstufe axial hinter der Rotorstufe 12a angeordnet.
Es ist üblich, am Einlass in das Verdichtungssystem eine in
Umfangsrichtung sich erstreckende Reihe von Einlassleitschaufeln
(IGV) zu haben, wie dies in 2 dargestellt
ist. Die IGVs können bewegliche Klappen haben, die an ihrem
hinteren Ende angeordnet sind, wie dies in 2 veranschaulicht
ist.
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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 31a, 31b, 31c,
die in Umfangsrichtung ringsum die Längsmittelachse 8 herum angeordnet
sind. Die Stufen 12a, 12b, 12c des mehrstufigen
Rotors 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.
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Mit
einer in 2 dargestellten Bläserstufe 12a, 12b, 12c arbeitet
eine jeweils entsprechende Statorstufe 31 zusammen, die
eine Anzahl in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Statorschaufeln 31a, 31b, 31c aufweist.
Eine beispielhafte Anordnung von Statorschaufeln und Rotorschau feln ist
in 2 veranschaulicht. Die Rotorschaufeln 40 und
die Statorschaufeln 31a, 31b, 31c weisen
jeweils Schaufelblätter mit entsprechenden aerodynamischen
Profilen oder Umrissgestaltungen auf, um den Luftstrom in aufeinanderfolgenden
Axialstufen zu verdichten. Jede Bläserrotorschaufel 40 verfügt über ein
sich von einem Schaufelfuß 45 radial nach außen zu
einer Schaufelspitze 46 erstreckendes Schaufelblatt 34,
eine konkave Seite (auch als „Druckseite” bezeichnet) 43,
eine konvexe Seite (auch als „Saugseite” bezeichnet) 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
der Bläserrotoren während die Saugseite 44 auf
der anderen Seite des Schaufelblatts liegt.
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Eine
Statorstufe 31 ist jeweils in axialer Nähe zu
einem Rotor wie zum Beispiel zu dem mit 12b bezeichneten
Rotor angeordnet. Jede Statorschaufel in einer Statorstufe 31,
wie sie bei 31a, 31b, 31c in 2 dargestellt
ist, weist ein Schaufelblatt 35 auf, das sich radial im
Wesentlichen in einer Spannweitenrichtung erstreckt, die der Spannweite
zwischen dem Schaufelfuß 45 und der Schaufelspitze 46 entspricht.
Jede Statorschaufel, wie etwa die mit 31a bezeichnete,
weist eine konkave Schaufelseite (auch als „Druckseite” bezeichnet) 57,
eine konvexe Schaufelseite (auch als „Saugseite” bezeichnet) 58, eine
Schaufelvorderkante 36 und eine Schaufelhinterkante 37 auf.
Das Schaufelblatt 35 erstreckt sich in Sehnenrichtung zwischen
der Vorderkante 36 und der Hinterkante 37. Eine
Sehne des Schaufelblatts 35 ist die Län ge zwischen
der Vorderkante 36 und der Hinterkante 37 bei
jedem radialen Querschnitt der Statorschaufel. An der Vorderseite
des Verdichtungssystems etwa des Bläserabschnitts 12 ist
eine Statorstufe mit einem Satz Einlassleitschaufeln 30 (IGV)
vorgesehen, die den Luftstrom in das Verdichtungssystem aufnehmen.
Die Einlassleitschaufeln 30 haben ein zweckentsprechend
gestaltetes aerodynamisches Profil, um den Luftstrom in den Rotor 12 der ersten
Stufe einzuleiten. Um den Luftstrom in das Verdichtungssystem zweckentsprechend
auszurichten, können die Einlassleitschaufeln 30 IGV-Klappen 32 aufweisen,
die beweglich nahe ihrem hinteren Ende angeordnet sind. Die IGV-Klappe 32 ist
in 2 am hinteren Ende der IGV 30 dargestellt.
Sie ist zwischen zwei Scharnieren an dem radial innen liegenden
Ende und dem radial außen liegenden Ende so gelagert, dass
sie während des Betriebs des Verdichtungssystems bewegt
werden kann.
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Die
Rotorschaufeln laufen in einer feststehenden Struktur, etwa einem
Gehäuse oder einem Mantel um, die im radialen Abstand von
den Schaufelspitzen und diese umgebend angeordnet ist, wie dies
in 2 dargestellt ist. Die Rotor schaufeln 40 der
vorderen Stufe laufen in einem ringförmigen Gehäuse 50 um,
das die Rotorschaufelspitzen umgibt. Die Rotorschaufeln der hinteren
Stufe eines mehrstufigen Verdichtungssystems, wie etwa des bei 18 in 1 veranschaulichten
Hochdruckverdichters, laufen typischerweise in einem Ringkanal um,
der durch Mantelsegmente 51 gebildet ist, die rings um
die Schaufelspitzen 46 angeordnet sind. Im Betrieb wird der
Druck der Luft erhöht, während die Luft verlangsamt
wird und durch die Stator- und Rotorschaufelblätter durch
tritt.
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Das
Betriebsdiagramm eines beispielhaften Verdichtungssystems, wie des
Bläserabschnitts 12 des beispielhaften Gasturbinentriebwerks 10 ist
in 3 mit dem korrigierten Einlassströmungsdurchsatz
längs der horizontalen Achse und dem Druckverhältnis
auf der vertikalen Achse veranschaulicht. Beispielhafte Betriebskennlinien 114, 116 und
die Strömungsabrisskennlinie 112 sind zusammen
mit beispielhaften 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 Verdichtungssystem
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 Verdichtungssystems sich näher an die Strömungsabrisskennlinie 112 heran
bewegt. Jede Betriebsbedingung hat einen entsprechenden Verdichtungssystemwirkungsgrad,
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 Verdichtungssysteme 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 beim Verdichten
der Luft durch die Bläserschaufeln (und die Verdichtungssystemschaufeln)
hervorzurufen, und die Strö mungsabrisskennlinie 112 neigt
dazu, tiefer abzufallen. Wie im Nachfolgenden weiter erläutert,
schaffen die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ein System zur 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 den jeweils erforderlichen
Maße darauf ansprechen können, den Strömungsabriss-Grenzbereich
von Bläserrotoren und anderen Verdichtungssystemen durch
Anheben der Strömungsabrisskennlinie, wie sie bei 113 in 3 dargestellt
ist, zweckentsprechend zu managen.
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Es
ist bekannt, dass von Einlassströmungsstörungen
herrührende Strömungsabrisse in Bläserrotoren
und Strömungsabrisse in anderen Verdichtungssystemen, die
gedrosselt werden, durch einen Strömungsabriss oder eine
Strömungsablösung an den Stator- und Rotorschaufelblättern,
insbesondere nahe dem Spitzenbereich 52 von Rotoren, etwa
den Bläserrotoren 12a, 12b, 12,
wie sie in 2 dargestellt sind, hervorgerufen
werden. Ein Strömungsabriss in der Nähe von Schaufelspitzen
ist begleitet von einem Spitzenleckagewirbel, der eine negative
axiale Geschwindigkeit aufweist, d. h. die Strömung in
diesem Bereich ist dem Hauptströmungskörper entgegen
gerichtet und in hohem Maße unerwünscht. Wenn
er nicht unterbrochen wird, breitet sich der Spitzenwirbel axial
nach hinten und tangential von der Schaufelsaugseite 44 aus
auf die anschließende Schaufeldruckseite 43 aus.
Wenn die Einlassströmungsstörungen schwerwiegender
werden oder wenn ein Verdichtungssystem gedrosselt wird, wird die
Blockade in dem Strömungsweg zwischen den benachbarten
Schaufeln zunehmend größer und schließlich
so groß, dass das Rotordruckverhältnis unter seinen
Nennwert abfällt und bewirkt, dass das Verdichtungssystem
einen Strömungsabriss erleidet.
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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 eine 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 Einsetzen eines Strömungsabrisses
einer Stufe eines mehrstufigen Bläsers, wie er in 2 dargestellt
ist, vorherzusagen.
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4 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems 500 zum
Erfassen des Einsetzens einer aerodynamischen Instabilität, etwa
eines Strömungsabrisses oder Pumpens in einer Verdichterstufe
in einem Gasturbinentriebwerk 10. Beider in 2 veranschaulichten
beispielhaften Ausführungsform ist ein Bläserabschnitt 12 dargestellt,
der einen dreistufigen Bläser mit Rotoren 12a, 12b, 12c und
Statorstufen mit Statorschaufeln 31a, 31b, 31 und
IGVs 30 aufweist. Die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung können auch in einem einstufigen Bläser
oder in einem anderen Verdichtungssystem einer Gasturbinenmaschine,
etwa einem Hochdruckverdichter 18 und einem Niederdruckverdichter oder
einem Booster eingesetzt werden. Bei den hier veranschaulichten
beispielhaften Ausführungsformen ist ein Drucksensor 502 dazu verwendet,
den örtlichen dynamischen Druck nahe dem Spitzenbereich 52 der
Bläserschaufelspitzen 46 während des
Triebwerksbetriebs zu messen. Wenngleich ein einziger Sensor 502 für
die Steuerungsparametermessungen verwendet werden kann, so wird doch
der Einsatz von wenigstens zwei Sensoren 502 bevorzugt,
weil bei längeren Triebwerksbetriebszeiträumen
einige Sensoren ausfallen können. Bei der in 2 dargerstellten
beispielhaften Ausführungsform sind mehrere Drucksensoren 502 rings
um die Spitzen aller Bläserrotorstufen 12a, 12b, 12c verwendet.
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Bei
der in 4 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 Mantelelement 51 angeordnet
sein, das radial außerhalb der Schaufelspitzen 46 und
von diesen getrennt angeordnet ist. Das Gehäuse 50 oder
eine Anzahl Mantelelemente 51 umgeben die Spitzen einer Reihe
Schaufeln 47. Die Drucksensoren 502 sind, wie
in 9 dargestellt, in Umfangsrichtung verteilt auf
dem Gehäuse 50 oder den Mantelelementen 51 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, wie dies in 9 dargestellt
ist. Alternativ können bei anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Sensoren an Orten in einer Statorstufe 31 angeordnet sein,
um Strömungsparameter in dem Stator zu messen. Geeignete
Sensoren können auch auf der konvexen Statorschaufelblatt seite 58 oder
der konkaven Seite 57 der Rotorschaufel 50 angeordnet
sein.
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Während
des Triebwerkbetriebs ist ein wirksamer Abstand CL zwischen der
Bläserschaufelspitze und dem Gehäuse 50 oder
Mantel 51 (vgl. 4) 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 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen
sind die eingesetzten Sensoren 502 von Kulite Semiconductor
Products hergestellt. Die Wandler haben einen Durchmesser von etwa
0,1 inch und sind etwa 0,375 inch lang. Sie haben eine Ausgangsspannung
von etwa 0,1 V für einen Druck von etwa 50 Pds/square inch.
Gebräuchliche Signalumsetzer werden dazu verwendet, das
Signal auf etwa 10 V zu verstärken. Es ist vorzuziehen,
eine Hochfrequenzabtastung der dynamischen Druckmessung, etwa zum
Beispiel mit 10 mal der Schaufelvorbeilauffrequenz zu benutzen.
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Die
Strömungsparametermessung von dem Sensor 502 erzeugt
ein Eingangsignal, das von einem Korrelationsprozessor 510 als
Eingangssignal 504 verwendet wird. Der Korrelationsprozessor 510 empfängt
als Eingabe auch ein Rotordrehzahlsignal 506, das der Drehzahl
der Bläserrotoren 12a, 12b, 12c,
wie sie in den 1, 54 und 9 dargestellt sind,
entspricht. Bei den hier veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen
wird das Bläserrotordrehzahlsignal 506 durch ein
gebräuchliches Triebwerkssteuersystem 74 übermittel,
das bei Gasturbinenmaschinen verwendet wird. Alternativ kann das Bläserrotordrehzahlsignal 506 von
einem digitalen elektronischen Steuersystem oder einem selbständigen
digitalen elektronischen Steuersystem (FADEC-System) geliefert werden,
wie es bei einem Flugtriebwerk eingesetzt ist.
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Der
Korrelationsprozessor 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
zu diesem Zweck verwendet werden. Bei den hier dargestellten beispielhaften
Ausführungsformen verwendet der Algorithmus des Korrelationsprozessors 510 das
vorhandene Drehzahlsignal von dem Triebwerkssteuersystem 74 zur
Zyklussynchronisierung. Der Korrelationsmesswert wird für
individuelle Druckwandler 502 oberhalb von Rotorschaufelspitzen 46 der
Rotoren 12a, 12b, 12c und Eingangssignale 504a, 504b, 504c 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 10 mal der Schaufelblatt-40-Dürchlauffrequenz
abgetastet werden. Ein Fenster von 72 Sampeln wurde dazu verwendet
die Autokorrelation zu berechnen, welche einen Wert von nahe der
Einheit längs der Betriebskennlinie 116 hat und
gegen Null zu abfällt, wenn der Betrieb sich der Strömungsabriss/Pumpkennlinie 112 nähert
(vgl. 3). Bei einer speziellen Bläserstufe 12a, 12b, 12c gilt,
dass wenn sich der Stabilitätsgrenzabstand Null an nähert,
die jeweilige Bläserstufe am Rande einer Strömungsabrisses
steht und der Korrelationsmesswert ein Minimum aufweist. Bei dem
hier erörterten beispielhaften Instabilitätsschutzsystem 700 (vgl. 9),
das dazu ausgelegt ist, eine Instabilität, wie einen Strömungsabriss
oder eine Pumpen in einem Verdichtungssystem zu vermeiden, empfängt, wenn
der Korrelationsmesswert unter einen ausgewählten und voreingestellten
Grenzwertpegel abfällt, ein Instabilitätssteuersystem 600 das
Stabilitätskorrelationssignal 512 und sendet ein
elektrisches Signal 602 an das Triebwerksteuersystem 74,
beispielsweise an ein FADEC-System und ein elektrisches Signal 606 an
eine elektronische Steuereinrichtung 72, die ihrerseits
unter Verwendung der vorhandenen Steuereinrichtungen eine geeignete
Korrekturmaßnahme ergreifen kann, um das Triebwerk von
einer Instabilität, wie Strömungsabriss oder Pumpen
durch Anheben der Strömungsabrissgrenzlinie, wie hier beschrieben,
weg zu bewegen. Die Verfahren, die von dem Korrelationsprozessor 510 zur
Abschätzung des aerodynamischen Stabilitätsniveaus
bei den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen
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.
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4 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 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
Ausfüh rungsform 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 einer oder mehreren dieser Nuten angeordnet, wobei
die gleichen Prinzipien und Beispiele Verwendung finden wie sie
hier dargelegt sind. Wenngleich der Sensor in 4 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 der Schaufelspitze 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. Der Drucksensor 502 kann auch in einer Statorstufe 31 oder
auf Statorschaufeln wie etwa 31a, 31b, 31c,
angeordnet sein.
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9 zeigt
schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung mehrerer Sensoren 502 in einer
Bläserstufe, etwa bei 40a in 2.
Die mehreren Sensoren 502 sind in dem Gehäuse 50 (oder
dem Mantel 51) in einer Umfangsrichtung angeordnet, derart,
dass Paare von Sensoren 502 einander im Wesentlichen diametral
gegenüberliegend angeordnet sind. Der Korrelationsprozessor 510 empfängt
Eingangssignale 504 von diesen Sensorpaaren und verarbeitet
jeweils Signale von Paaren zusammen. Die Unterschiede in den gemessenen
Daten von den diametral einander gegenüber liegenden Sensoren
eines Paares können besonders zweckmäßig
bei der Entwicklung eines Stabilitätskorrelationssignals 512 zum
Erfassen des Beginns eines Bläserströmungsab risses, herrührend
von Strömungsstörungen im Triebwerkseinlass sein.
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Die 1, 6 und 9 zeigen
eine beispielhafte Ausführungsform eines Schutzsystems 300,
das die Erhöhung der Stabilität eines Verdichtungssystems
unterstützt, wenn von dem Detektionssystem 500,
wie im Vorstehenden beschrieben, eine Instabilität festgestellt
ist. Diese beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
verwenden hier erläuterte Plasmaaktuatoren, um eine Strömungsablösung
an Statorschaufelblättern 35 oder Rotorschaufelblättern 34 zu
verringern und den Beginn und das Anwachsen der Blockade durch den
im Vorstehenden beschriebenen Rotorschaufelspitzenströmungswirbel
zu verzögern. Plasmaaktuatoren, die, wie gezeigt, bei den
beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
benutzt werden erzeugen einen Strom Ionen und eine Volumen- oder
Körperkraft, die auf das Fluid in den Statorschaufel- und
Rotorschaufelblättern einwirken und es zwingen durch den
Schaufelkanal in der Richtung der gewünschten Fluidströmung
durchzuströmen, wodurch Strömungsablösungen
verringert werden.
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Die
Ausdrücke „Plasmaaktuatoren” und „Plasmageneratoren” haben,
wie sie hier verwendet sind, die gleiche Bedeutung und sind gegeneinander austauschbar
benutzt. 5 zeigt schematisch einen hier
veranschaulichten (vgl. 1, 2, 6, 7, 8, 9)
Plasmaaktuator 82, 84, 86, wenn er angesteuert
ist. Die in 5 veranschaulichte beispielhafte
Ausführungsform zeigt einen Plasmagenerator 86,
der auf einer Rotorschaufel 40 angeordnet ist und eine
erste Elektrode 82 und eine durch ein dielektrisches Material 63 getrennte
zweite Elektrode 64 beinhaltet. An die Elektroden ist eine Wech selstrom-Energieversorgung 70 angeschlossen,
die an die Elektroden 62, 64 ein Wechselspannungspotential
in einem Bereich von etwa 3 bis 20 KV anlegt. Wenn die Wechselspannungsamplitude groß genug
ist, wird Luft in einem Bereich größten elektrischen
Potentials unter Bildung eines Plasmas 68 ionisiert. Das
Plasma 68 beginnt allgemein nahe einer Kante 65 der
ersten Elektrode 62, die der Luft ausgesetzt ist und verteilt
sich über ein von der zweiten Elektrode 64 projiziertes
Gebiet 104, das von dem dielektrischen Material 63 abgedeckt
ist. Das Plasma 68 (ionisierte Luft) erzeugt in Gegenwart
eines elektrischen Feldgradienten eine Kraft auf die nahe den Schaufelblättern
strömende Luft, wodurch es eine virtuelle aerodynamische
Gestalt induziert, die eine Veränderung in der Druckverteilung über
die Schaufelblattoberflächen hervorruft, derart, dass die Strömung
an den Schaufelblattoberfläche haften bleiben will, wodurch
Strömungsablösungen verringert werden. Die Luft
in der Nähe der Elektroden ist schwach ionisiert und es
findet normalerweise nur eine geringe oder keine Erwärmung
der Luft statt.
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6 veranschaulicht
schematisch in einer Schnittdarstellung eine beispielhafte Ausführungsform
eines Plasmaaktuatorsystems 100 zur Verbesserung der Stabilität
von Verdichtungssystemen und/oder zur Erhöhung des Wirkungsgrades
eines Verdichtungssystems. Der Ausdruck „Verdichtungssystem” wird
hier so verwendet, dass er Vorrichtungen beinhaltet, die zur Erhöhung
des Drucks eines durchfließenden Fluids verwendet werden
und dass er den Hochdruckverdichter 18, den Booster und
den Bläser 12, die in wie in 1 dargestellten
Gasturbinentriebwerken verwendet sind, mit umfasst. Die hier dargestellten
beispielhaften Ausführungsformen tragen zu einer Erhöhung
des Strömungsabrissgrenzbereichs bei und/oder verbessern
den Wirkungsgrad des Verdichtungssystems in einer Gasturbinenmaschine 10,
wie etwa dem in einer Schnittdarstellung in 1 veranschaulichten
Gasturbinenflugtriebwerk. Das in 6 dargestellte
beispielhafte Gasturbinentriebwerks-Plasmaaktuatorsystem 100 beinhaltet Plasmageneratoren 86,
die auf Rotorschaufeln 40b angeordnet sind und Plasmageneratoren 82,
die auf Statorschaufeln 31a, 31b vorgesehen sind.
Die in 6 dargestellten Plasmaaktuatoren sind an der Rotorschaufel 40b in
einer allgemeinen Spannweite-Richtung von nahe dem Schaufelfuß zu
der Spitze des Schaufelblatts angebracht. Die Plasmaaktuatoren 86 sind
in Nuten angeordnet, die auf der Schaufelblattsaugseite 44 derart
vorgesehen sind, dass die Oberflächen im Wesentlichen glatt
bleiben, um so eine Störung der lokalen Luftströmung
in der Nähe der Plasmaaktuatoren zu vermeiden. Eine geeignete Abdeckung
unter Verwendung gebräuchlicher Materialien kann nach dem
Einsetzen der Plasmaaktuatoren auf den Nuten angebracht werden,
um eine glatte Luftströmung auf den Schaufelblattoberflächen
zu fördern. Bei jedem Nutsegment ist das dielektrische Material 63 in
dem Nutsegment so angeordnet, dass es die den Plasmaaktuator 86 bildenden
ersten Elektroden 62 und zweiten Elektroden 64 voneinander trennt.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
können mehrere Plasmaaktuatoren 82 auch auf dem
Schaufelblatt 35 von Statorschaufeln, etwa wie sie mit 31a und 31b in 6 bezeichnet
sind, angeordnet sein. Die Plasmaaktuatoren sind in einer jeweils
ausgewählten Sehnenlänge von der Schaufelvorderkante 41 entfernt
an Orten angeordnet, die auf der Grundlage der jeweiligen Neigung
zur Luftstromablösung ausgewählt sind, welche durch
eine gebräuchliche aerodynamische Analyse der Luftströmung
um die Schaufelblatt-Druck und -Saugseite bestimmt ist. Bei einer
anderen, in 7 dargestellten Ausführungs form
der Erfindung können Plasmaaktuatoren 86 auch
auf der konkaven Seite 43 des Schaufelblatts 49,
insbesondere nahe der Hinterkante 42 angeordnet sein. 8 zeigt
eine Rotorschaufel 40 mit einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der der Plasmaaktuator 86 auf
der konvexen Seite des Schaufelblattes 49 in einer im Wesentlichen
in Richtung der Spannweite weisenden Richtung ausgerichtet ist.
Alternativ kann es vorteilhaft sein, die Plasmaaktuatoren mit anderen
Ausrichtungen anzuordnen, so dass die Richtung des Plasmas 68 auf
andere zweckentsprechende Strömungsrichtungen ausgerichtet
ist, wie sie durch bekannte aerodynamische Untersuchungen bestimmt
sind. Die 8, 9 zeigen schematisch
gebräuchliche Schleifringe 88, 89, die dazu
verwendet werden können, elektrische Verbindungen zu den
Plasmaaktuatoren 86 herzustellen, die auf den umlaufenden
Schaufeln 40 angebracht sind. Andere geeignete Verfahren
zur Energieversorgung der Plasmaaktuatoren 86 auf umlaufenden Schaufeln
können auch verwendet werden.
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9 veranschaulicht
schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines Instabilitätsschutzsystems 700 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Das beispielhafte Instabilitätsschutzsystem 700 weist
einen Erfassungs- oder Detektionssystem 500, ein Schutzsystem 300,
ein Steuersystem 74 zur Steuerung des Erfassungssystems 500 und
des Schutzsystems 300 einschließlich eines Instabilitätssteuersystems 600 auf.
Das Erfassungssystem 500, das eine oder mehrere Sensoren 502 zum
Messen eines Strömungsparameters, wie etwa dynamischer
Drücke in der Nähe der Blattspitze und einen Korrelationsprozessor 510 aufweist,
wurde bereits im Vorstehenden beschrieben. Der Korrelationsprozess 510 sendet
Korrelationssignale 512, die anzeigen, ob der Beginn einer
Instabilität, wie eines Strö mungsabrisses, bei
einer speziellen Rotorstufe festgestellt wurde oder nicht zu dem
Instabilitätssteuersystem 600, das seinerseits
Statussignale 604 an das Steuersystem 74 zurückliefert.
Das Steuersystem 74 liefert dem Korrelationsprozessor 510 Informationssignale 506 in
Bezug zu den Verdichtungssystem-Betrieb, wie etwa Rotordrehzahlen.
Wenn der Beginn einer Instabilität erfasst wird und das
Steuersystem 74 feststellt, dass das Schutzsystem 300 betätigt
werden sollte, wird ein Befehlssignal 602 dem Instabilitätssteuersystem 600 zugesandt,
das Ort, die Art, das Ausmaß, die Dauer etc. der zu ergreifenden
Instabilitätsschutzmaßnahmen bestimmt und entsprechende
Instabilitätssteuersystemssignale 606 an die elektronische
Steuereinrichtung 72 zur Ausführung übermittelt.
Die elektronische Steuereinrichtung 72 steuert den Betriebsablauf
des Plasmaaktuatorsystems 100 und der Energieversorgung 70.
Die im Vorstehenden beschriebenen Betriebsabläufe halten
so lange an, bis der von dem Erfassungssystem 500 bestätigte
Instabilitätsschutz erreicht ist. Die Betriebsweise des Schutzsystems 300 kann
auch an vorbestimmten, von den Steuersystemen 74 festgelegten
Betriebspunkten beendet werden.
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Bei
einem beispielhaften, ein Instabilitätsschutzsystems 700 enthaltenden
System in einem in 1 veranschaulichten Gasturbinentriebwerk 10 schaltet
während des Triebwerksbetriebs auf Befehl des Instabilitätssteuersystems 600 und
einer elektronischen Steuereinrichtung 72, das Plasmaaktuatorsystem 100 den
Plasmagenerator 86, 82 (vgl. 6 und 9)
ein, um das Plasma 68 zwischen der ersten Elektrode 62 und
der zweiten Elektrode 64 zu erzeugen. Die elektronische
Steuereinrichtung 72 kann auch mit einem Triebwerkssteuersystem 74,
beispielsweise einem selbstständigen digitalen, e lektronischen
Steuersystem (FADEC = Full Authority Digital Electronic Control)
vernetzt sein, das die Bläserdrehzahlen, die Verdichter
und Turbinendrehzahlen und das Brennstoffsystem des Triebwerks steuert. Die
elektronische Steuereinrichtung 72 wird zur Steuerung des
Plasmagenerators 60 verwendet, indem der Plasmagenerator 60 ein-
oder ausgeschaltet oder sonst wie beeinflusst wird, wie dies notwendig ist,
um die Verdichtungssystemstabilität durch Vergrößerung
der Strömungsabrissgrenzabstands zu erhöhen oder
den Wirkungsgrad des Verdichtungssystems zu verbessern. Die elektronische
Steuereinrichtung 72 kann auch dazu benutzt werden, den
Betrieb der Wechselspannungsenergieversorgung 70 zu steuern,
die an die Elektroden angeschlossen ist, um an die Elektroden ein
Hochspannungswechselpotential anzulegen.
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Im
Betrieb erzeugt das Plasmaaktuatorsystem 100, wenn es eingeschaltet
ist, einen Ionenstrom der das Plasma 68 und eine Volumenkraft
erzeugt, die die Luft vor sich her schiebt und die Druckverteilung
in der Nähe der Schaufelblattdruck und -Saugseite verändert.
Die von dem Plasma 68 ausgeübte Volumenkraft zwingt
die Luft in der gewünschten Richtung einer positiven Strömung
durch den Kanal zwischen benachbarten Schaufeln durchzuströmen, wodurch
Strömungsablösungen in der Nähe der Schaufelplattenoberflächen
und Schaufelspitzen vermindert werden. Dies erhöht die
Stabilität der Bläser- oder Verdichterrotorstufe
und damit des Verdichtungssystems. Plasmageneratoren 82, 86,
wie zum Beispiel die in 6 dargestellten, können
auch auf Schaufelblättern oder einigen ausgewählten
Bläser- oder Verdichterstator- und Rotorstufen angeordnet sein,
dort, wo ein Strömungsabriss möglicherweise auftritt.
Alternativ können Plasmageneratoren längs der
jeweiligen Spannweite aller Verdichterstufenschau feln 40 und
Schaufeln 31a angeordnet sein und selektiv von dem Instabilitätssteuersystem 600 während
des Triebwerkbetriebs, unter Verwendung des Triebwerksteuersystems 74 oder
der elektronischen Steuereinrichtungen 72, aktiviert werden.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wie sie in 2 dargestellt ist, sind Plasmaaktuatoren 84 auf
der IGV Klappe 32 in einer im Wesentlichen Spannweiten-Richtung
ausgerichtet angeordnet. Die IGV Klappe 32 ist bewegbar um
die Richtung des in den ersten Laserrotor 12a eintretenden
Luftstroms auszurichten. Durch Einschalten der Plasmaaktuatoren 84, 86 ist
es möglich, den Bewegungsbereich, der bei der IGV Klappe 32 ohne
Strömungsablösung erreicht werden kann, auszudehnen.
Dies ist besonders vorteilhaft bei Gasturbinentriebwerksanwendungen,
bei denen unter gewissen Umständen schwierige Einlassströmungsstörungen
auftreten.
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Bei
anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ist es möglich, mehrere Plasmaaktuatoren an mehreren
Orten in dem Verdichtergehäuse 50 oder an den
Mantelsegmenten 51 zusätzlich zu den auf den Rotorschaufelblättern 49 und
den Statorschaufelblättern 35 angeordneten Plasmageneratoren
zu platzieren.
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Die
hier beschriebenen Plasmaaktuatorsysteme können dazu betrieben
werden eine Vergrößerung des Strömungsabrissgrenzabstands
in den Verdichtungssystemen in dem Triebwerk durch Anheben der Strömungsabrisskennlinie
zu erzielen, wie dies zum Beispiel durch die verbesserte Strömungsabrisskennlinie 113 in 3 veranschaulicht
ist. Wenngleich es möglich ist die Plasmaaktuatoren während des
Triebwerksbetriebs kontinuierlich arbeiten zu lassen, so ist es
doch nicht not wendig, zur Verbesserung des Strömungsabrissgrenzabstands
die Plasmaaktuatoren kontinuierlich zu betreiben. Unter normalen
Betriebsbedingungen können in dem Rotorspitzenbereich 52 Schaufelspitzenwirbel
und kleine Bereiche umgekehrter Strömung vorhanden sein.
Es ist zunächst erforderlich, die Bläser- oder
Verdichterbetriebspunkte zu identifizieren, an denen ein Strömungsabriss
möglicherweise auftritt. Dies kann durch gebräuchliche
Analyse und Testmethoden geschehen, und die Ergebnisse können
auf einem Betriebsdiagramm, wie es zum Beispiel in 3 veranschaulicht
ist, dargestellt werden. Bezugnehmend auf 3 sind zum
Beispiel, bei normalen Betriebspunkten auf der Betriebskennlinie 116,
die Strömungsabrissgrenzabstände bezüglich
der Strömungsabrisskennlinie ausreichend, und die Plasmaaktuatoren
brauchen nicht eingeschaltet zu werden. Wenn aber das Verdichtungssystem,
etwa zum Beispiel längs der Kennlinie 122 konstanter
Drehzahl gedrosselt wird, oder während schwerwiegender
Einlassluftströmungsstörungen nimmt die Axialgeschwindigkeit
der Luft in der Verdichtersystemstufe über die gesamte
Statorschaufelspannweite oder Rotorschaufelspannweite, insbesondere
in dem Spitzenbereich 52 ab. Dieser axiale Geschwindigkeitsabfall,
verbunden mit einem stärkeren Druckanstieg an der Rotorschaufelspitze 46,
vergrößert die Strömung über
die Schaufelspitze und die Stärke des Spitzenwirbels wodurch
die Bedingungen für das Auftreten eine Strömungsabrisses
hergestellt werden. Wenn der Betriebszustand des Verdichtungssystems
sich Bedingungen nähert, die typischerweise in der Nähe eines
Strömungsabrisses oder der Strömungsabrisskennlinie 112 liegen,
werden die Plasmaaktuatoren eingeschaltet. Die Plasmaaktuatoren
können von dem Instabilitätssteuersystem 600 auf
der Grundlage der Eingabe des Erfassungssystems 500 eingeschaltet
werden, wenn die Messwerte und die Korrelationsanalysen von dem
Erfas sungssystem 500 den Beginn einer Instabilität,
wie eines Strömungsabrisses oder des Pumpens („surge”),
anzeigen. Das Steuersystem 74 und/oder die elektronische
Steuereinrichtung sind so eingestellt, dass sie das Plasmaaktuatorsystem
rechtzeitig einschalten, bevor die Betriebspunkte die Strömungsabrisskennlinie 112 erreichen,
bei der der Verdichter möglicherweise in den Strömungsabrisszustand
gelangt. Es ist zweckmäßig, die Plasmaaktuatoren
frühzeitig einzuschalten und zwar rechtzeitig vor Erreichen
der Strömungsabrisskennlinie 112, weil dadurch
die Ausnutzung des absoluten Drosselungsgrenzabstandes vergrößert wird.
Es besteht aber keine Notwendigkeit, die zum Betrieb der Aktuatoren
erforderliche Energie aufzuwenden, wenn der Verdichter unter einwandfreien Dauerbetriebsbedingungen,
wie etwa auf der Betriebskennlinie 116, arbeitet.
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Alternativ
können, anstatt des Betriebs der Rotorplasmaaktuatoren 86,
der Statorplasmaaktuatoren, 82 und der IGV Plasmaaktuatoren 84 in
einer kontinuierlichen Betriebsweise, wie oben beschrieben, die
Plasmaaktuatoren auch in einer gepulsten Betriebsweise betrieben
werden. Bei der gepulsten Betriebsweise werden ein oder alle Plasmaaktuatoren 82, 84, 66 mit
irgendwelchen vorbestimmten Frequenzen ein- und ausgepulst („Pulsbetrieb”).
Es ist bekannt, dass der Spitzenwirbel, der zu einem Verdichterströmungsabriss
führt, allgemein einige Eigenfrequenzen hat, irgendwie ähnlich
der Ablösungsfrequenz eines in einen Strömungsfluss
eingebrachten Zylinders. Für einer gegebene Rotorgeometrie
können diese Eigenfrequenzen analytisch berechnet oder
durch Tests unter Verwendung von Sensoren für instationäre
Strömung gemessen werden. Sie können in Betriebsroutinen
eines FADEC- oder anderer Triebwerkssteuersystems 72 oder
der elektronischen Steuereinrichtung 72 für die
Plasmaaktuatoren einprogrammiert werden. Die Plasmaaktuatoren 82, 84, 86 können
dann schnell von dem Steuersystem mit ausgewählten Frequenzen
ein- und ausgepulst werden, die zum Beispiel mit den Wirbelablösungsfrequenzen
oder den Schaufelvorbeilauffrequenzen der verschiedenen Verdichterstufen
in Beziehung stehen. Alternativ können die Plasmaaktuatoren
mit einer Frequenz ein- und ausgepulst werden, die einem „Mehrfachen” einer
Wirbelablösungsfrequenz oder einem „Mehrfachen” der
Schaufelvorbeilauffrequenz entspricht. Der Ausdruck „Mehrfaches”, wie
er hier verwendet wird, kann irgendeine Zahl oder ein Bruch sein
und kann Werte haben, die gleich eins, größer
als eins oder weniger als eins sind. Das Pulsen der Plasmaaktuatoren 82, 84, 86 kann
in Phase miteinander geschehen. Alternative kann das Pulsen der
Plasmaaktuatoren 82, 84, 86 auch gegeneinander
um vorbestimmte Phasenwinkel versetzt geschehen. Der Phasenwinkel
kann zwischen 0° und 180° variieren. Es ist vorzuziehen
die Plasmaaktuatoren um etwa 180° phasenversetzt gegen
die Wirbelfrequenz zu pulsen, um den Schaufelblattspitzenwirbel
bei der Bildung rasch aufzubrechen. Der Phasenwinkel und die Frequenz
des Plasmaaktuators können auf der Grundlage der Messwerte
des Erfassungssystems 500 der Spitzenwirbelsignale gewählt werden,
wobei in Statorstufen, wie vorstehend beschrieben, nahe der Schaufelspitzen
angeordnete Sonden verwendet werden.
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Während
des Triebwerkstriebs schaltet das Schutzsystem 300 den
Plasmagenerator, etwa den Rotorplasmaaktuator 86, ein um
das Plasma 68 zwischen der ersten Elektrode 62 und
der zweiten Elektrode 64 zu erzeugen. Eine elektronische
Steuereinrichtung 72 kann dazu verwendet werden, die Plasmageneratoren 82, 84, 86 und
das Ein- und Ausschalten der Plas mageneratoren zu steuern. Die elektronische
Steuereinrichtung 72 kann auch dazu verwendet werden, den
Betrieb der Wechselspannungsenergieversorgung 70 zu steuern,
die an die Elektroden 62, 64 angeschlossen ist,
um an die Elektroden 62, 64 ein Hochspannungswechselpotential anzulegen.
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Der
kalte Freiraum zwischen dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder
den Mantelsegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46 ist
so bemessen, dass die Schaufelspitzen während eines Hochleistungsbetriebs
des Triebwerks, wie etwa während des Startens, wenn die
Schaufelscheiben und Schaufeln sich zufolge hoher Temperatur und
Zentrifugalkraftbelastungen ausdehnen, nicht an dem ringförmigen
Gehäuse 50 (oder an den Mantelsegmenten 51)
reiben. Die hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen
der Plasmaaktuatorsysteme sind dazu ausgelegt und können
so betrieben werden, dass die Plasmageneratoren 82, 84, 86 derart
aktiviert werden, dass sie das Plasma 68 während
der Zustände schwerwiegender Einlassströmungsstörungen
oder transienter Triebwerksvorgänge, bei denen die Betriebkennlinie
angehoben ist (vgl. Kennlinie 114 in 3)
bilden, wo eben größere Strömungsabrissgrenzabstände
erforderlich sind, um einen Strömungsabriss im Bläser
oder Verdichter zu vermeiden oder während Flugbedingungen,
bei denen die Freiräume 48 kontrolliert werden
müssen, wie zum Beispiel bei einer Reiseflugbedingung des
von dem Triebwerk angetriebenen Flugzeugs. Andere Ausführungsformen
der hier veranschaulichten beispielhaften Plasmaaktuatorsysteme
können bei anderen Arten von Gasturbinenmaschinen, wie
etwa Schiffs- oder sogar industriellen Gasturbinenmaschinen, verwendet
werden.
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Die
beispielhaften Ausführungsformen der hier vorliegenden
Erfindung können bei allen Verdichterabschnitten des Triebwerks 10,
wie einem Booster, einem Niederdruckverdichter (LPC), Hochdruckverdichter
(HPC) 18 und einem Bläser verwendet werden, die
ringförmige Gehäuse oder Mäntel (Umhüllungen)
und Rotorschaufelspitzen aufweisen.
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Die
vorliegende Beschreibung verwendet Ausführungsbeispiele
zur Erläuterung der Erfindung, einschließlich
der Art und Weise der besten Ausführung und auch dazu,
einen Fachmann in den Stand zu versetzen, die Erfindung herzustellen
und zu benutzen. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche
definiert und kann andere Ausführungsbeispiel mit umfassen,
die dem Fachmann in den Sinn kommen. Derartige andere Ausführungsbeispiele
sollen im Schutzbereich der Patentansprüche liegen, wenn
sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortlaut der
Patentansprüche nicht unterscheiden oder wenn sie äquivalente
strukturelle Elemente beinhalten, die sich lediglich unwesentlich
von dem Wortlaut der Patentansprüche unterscheiden.
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Zusammenfassung
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Es
ist ein Verdichtungssystem geoffenbart, wobei das Verdichtungssystem
einen Rotor mit einer Anzahl rings um eine Mittelachse angeordneter Schaufeln,
von denen jede Schaufel ein Schaufelblatt und eine Schaufelspitze
aufweist und wenigstens einen Plasmaaktuator beinhaltet, der auf
einer Schaufel angeordnet ist. Geoffenbart sind beispielhafte Ausführungsformen
eines Erfassungssystems zum Erfassen einer Instabilität
in einem Verdichtersystemrotor und ein Schutzsystem, das wenigstens einen
Plasmaaktuator beinhaltet, der auf einer Schaufel angeordnet ist,
um die Verbesserung der Stabilität des Rotors zu unterstützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Development
and Demonstration of a Stability Management System for Gas Turbine
Engines”, Proceedings of GT2006 ASME Turbo Expo 2006, GT2006–90324 [0033]