DE19624171C1 - Verfahren zur Regelung eines Turbo-Strahltriebwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Turbo-Strahltriebwerks mit einem Hochdruckverdichter, einer Brennkammer und einer Hochdruckturbine, bei welchem die Rotorschaufeln der Hochdruckturbine mittels vom Hochdruckverdichter zugeführter Kühlluft gekühlt werden und die Rotorschaufeltemperatur der Hoch­ druckturbine gemessen wird, um eine Überhitzung zu verhindern. Ein Hinweis auf ein solches Verfahren ist der DE 44 04 577 A1, Seite 1, Zeilen 5 bis 10, zu entnehmen.

Aus der US-PS 36 09 976 ist ein Regelverfahren für eine Gasturbine bekannt, bei dem als Regelgrößen die Drehzahl und die Gastemperatur am Eingang des Brenners verwendet wird.

Bei einem Turbo-Strahltriebwerk ist die Leistung der Gasturbine direkt abhängig von der Brennkammeraustrittstemperatur, welche einen Maximalwert nicht überschreiten darf, da sonst die Gefahr einer Überhitzung von Turbinenteilen, insbesondere des Eintrittsleitrades besteht. Die Brennkammeraustrittstemperatur ist direkt nicht meßbar, statt dessen wird in der Praxis eine Temperatur im Bereich der Turbine gemessen. Hierfür können stromaufwärts oder stromabwärts der Niederdruckturbine angeordnete Thermoelemente oder pyrometrische Meßeinrichtungen verwendet werden, die direkt die Rotorschaufeltemperatur der Hochdruckturbine oder der Niederdruckturbine messen.

Bei einer pyrometrischen Messung wird im wesentlichen die mittlere Metalltempera­ tur der Rotorschaufeln an einem repräsentativen Radius der Turbine gemessen. Bei einem Triebwerk, bei dem die Turbinenschaufeln der Hochdruckturbine mittels vom Austritt des Hochdruckverdichters entnommener Kühlluft gekühlt werden, hängt die Temperatur nicht nur von der Gastemperatur des Hauptstromes ab, sondern auch von der Kühllufttemperatur. Da die Kühlluft der Hochdruckturbine am Austritt des Hochdruckverdichters entnommen wird, ist deren Temperatur direkt abhängig vom Betriebspunkt des Verdichters.

Mit unterschiedlichen Luft- und Leistungsentnahmen von der Hochdruckwelle ändert sich bei konstanter Brennkammeraustrittstemperatur der Betriebspunkt des Hoch­ druckverdichters und damit auch die Kühllufttemperatur, wogegen die Relativtempe­ ratur zum Rotor der Hochdruckturbine konstant bleibt. Weil die Kühllufttemperatur sich mit Luft- und Leistungsentnahmen ändert, ändert sich auch die Metalltemperatur. Eine Regelung auf eine vorgegebene Metalltemperatur, wie sie heutzutage bei militä­ rischen Schubtriebwerken üblicherweise angewendet wird, führt somit dazu, daß sich die Brennkammeraustrittstemperatur mit der Luft- und Leistungsentnahme ändert. Damit besteht eine Gefahr der Überhitzung von statischen Turbinenteilen, insbeson­ dere des Eintrittsleitrades, bei hohen Luft- und Leistungsentnahmen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung eines Turbo-Strahl­ triebwerks anzugeben, welches es ermöglicht die Brennkammeraustrittstemperatur unabhängig von Luft- und Leistungsentnahmen auf einen konstanten Wert zu regeln, ohne die Luft- und Leistungsentnahmemengen zu messen.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines Turbo-Strahltriebwerks mit einem Hochdruckverdichter, einer Brennkammer und einer Hochdruckturbine geschaf­ fen, bei welchem die Rotorschaufeln der Hochdruckturbine mittels vom Hochdruck­ verdichter zugeführter Kühlluft gekühlt werden und die Rotorschaufeltemperatur der Hochdruckturbine gemessen wird, um eine Überhitzung zu verhindern. Gemäß der Erfindung wird aus Meßwerten für die Verdichteraustrittstemperatur und die Ro­ torschaufeltemperatur und aus einem Wert η_K für die Kühlungseffektivität der Rotorschaufeln eine repräsentative Relativtemperatur am Rotoreintritt bestimmt. Die Relativtemperatur wird dazu verwendet, das Triebwerk so zu regeln, daß es nicht überhitzt wird. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß die statischen Teile der Hochdruckturbine zuverlässig gegen Übertemperaturen geschützt werden, ohne daß dafür Luft- und Leistungsentnahmemengen gemessen werden müssen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß aus der Relativ­ temperatur am Rotoreintritt mittels einer empirischen Korrelation eine Brennkammer­ austrittstemperatur oder eine absolute Rotoreintrittstemperatur abgeleitet wird, und daß das Triebwerk so geregelt wird, daß die Brennkammeraustrittstemperatur bzw. die Rotoreintrittstemperatur einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Dies hat den Vorteil, daß mit der Brennkammeraustrittstemperatur bzw. der Rotoreintritts­ temperatur ein absoluter Temperaturwert gegeben ist, der einen vorgegebenen Wert bzw. einen Maximalwert nicht überschreiten darf, um Überhitzungsschäden an der Turbine zuverlässig zu verhindern.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Ro­ torschaufeltemperatur mittels eines Strahlungspyrometers gemessen und der pyrome­ trisch gemessene Wert der Rotorschaufeltemperatur für die Bestimmung der repräsen­ tativen Relativtemperatur verwendet wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Wert für die Kühlungseffektivität als konstant angenommen wird.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Wert für die Kühlungseffektivität als Funktion in Abhängigkeit von Betriebsparame­ tern des Triebwerks bestimmt wird. Dies hat den Vorteil, daß der Wert der repräsen­ tativen Relativtemperatur am Rotoreintritt und gegebenenfalls die Werte der daraus abgeleiteten Brennkammeraustrittstemperatur bzw. der Rotoreintrittstemperatur mit noch größerer Genauigkeit bestimmt werden können und damit die Triebwerkslei­ stung noch weiter erhöht werden kann, ohne Überhitzungsschäden zu riskieren.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Brenn­ kammeraustrittstemperatur oder die absolute Rotoreintrittstemperatur aus der Relativ­ temperatur am Rotoreintritt mittels eines funktionellen Zusammenhangs abgeleitet wird, der die Drehzahl des Triebwerks als variable Größe enthält.

Dabei kann die absolute Rotoreintrittstemperatur aus der Relativtemperatur am Rotoreintritt mittels des funktionellen Zusammenhangs

T₄₁/T_rel = f (N_H/T₄₁^1/2)

abgeleitet werden, wobei N_H/T₄₁^1/2 die korrigierte Drehzahl N_H der Hochdruckturbine ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Hochdruckverdichteraustritts­ temperatur direkt gemessen.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Hochdruckverdichter­ austrittstemperatur aus Betriebsparametern des Triebwerks abgeleitet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Hoch­ druckverdichteraustrittstemperatur direkt zur Bestimmung der Relativtemperatur am Rotoreintritt verwendet wird.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung schließlich ist es vorgesehen, daß zur Bestimmung der Relativtemperatur am Rotoreintritt ein aus der Hochdruckver­ dichteraustrittstemperatur und aus anderen Betriebsparametern des Triebwerks abge­ leiteter Wert für die Kühllufttemperatur im Bereich der Rotorschaufeln der Hoch­ druckturbine verwendet wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur erläutert.

Die Figur zeigt die stark schematisierte Darstellung eines Strahltriebwerks zur Erläu­ terung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie die Figur zeigt, enthält ein Strahltriebwerk, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt werden soll, eine Brennkammer 2, einen der Brennkammer 2 in Strömungsrichtung vorgeschalteten Hochdruckverdichter 1 und eine der Brennkam­ mer 2 in Strömungsrichtung nachgeschaltete Hochdruckturbine 4, die von dem die Brennkammer 2 verlassenden Gasstrom in Rotation versetzt und über eine Welle 6 den Hochdruckverdichter i antreibt. Ein Teil des den Hochdruckverdichter 1 ver­ lassenden Luftstroms wird an der Brennkammer 2 vorbeigeführt, um die Rotorsch­ aufeln der Hochdruckturbine 4 zu kühlen. Dem Hochdruckverdichter 1 kann ein Niederdruckverdichter vorgeschaltet sein, der in der Figur nicht dargestellt ist, ebenso kann der Hochdruckturbine 4 eine Niederdruckturbine nachgeschaltet sein, welche in der Figur ebenfalls nicht dargestellt ist.

Die von dem Strahltriebwerk mit einer Temperatur T₁ und einem Druck P₁ ange­ saugte Luft wird vom Hochdruckverdichter 1 komprimiert und mit einer Temperatur T₃ und einem Druck P₃ abgegeben. Der Hauptteil der vom Hochdruckverdichter 1 abgegebenen Luft tritt in die Brennkammer 2 ein und wird dort zusammen mit dem zugeführten Brennstoff verbrannt. Beim Austritt aus der Brennkammer 2 hat der Gasstrom eine Brennkammeraustrittstemperatur T₄ und einen Druck P₄. In einem Eintrittsleitrad 3 der Hochdruckturbine 4 wird ein Teil der Kühlluft zum Hauptstrom zugemischt. Dabei sinkt die Hauptstromtemperatur T₄ auf T₄₁ und der Druck von P₄ auf P₄₁. Der in die Hochdruckturbine 4 eintretende Gasstrom hat die Temperatur T₄₁ und den Druck P₄₁. Der Teil der vom Hochdruckverdichter 1 gelieferten komprimier­ ten Luft, der zur Kühlung der Rotorschaufeln der Hochdruckturbine 4 an der Brenn­ kammer 2 vorbei geführt wird, verläßt den Hochdruckverdichter 1 ebenfalls mit der Temperatur T₃ und erreicht die Rotorschaufeln als Kühlluft mit einer Temperatur T_K. Die Temperatur des Gasstroms kann durch eine repräsentative Relativtemperatur am Rotoreintritt T_rel beschrieben werden. Zwischen dieser repräsentativen Relativtem­ peratur T_rel, der Kühllufttemperatur T_K und der am Metall der Rotorschaufeln gemes­ senen Temperatur T_metall besteht ein Zusammenhang, der durch die Schaufelkühlungs­ effektivität der Rotorschaufeln gegeben ist:

Die Temperatur der Rotorschaufeln T_metall kann mittels einer pyrometrischen Meß­ einrichtung 5 gemessen werden.

Da die Kühllufttemperatur T_K mit der Verdichteraustrittstemperatur T₃ eng gekoppelt ist, kann die vorstehende Formel nach der repräsentativen Relativtemperatur T_rel am Rotoreintritt aufgelöst werden:

Somit kann aus den Meßwerten für die Verdichteraustrittstemperatur T₃ und die Rotorschaufeltemperatur T_metall und aus dem Wert η_K für die Kühlungseffektivität der Rotorschaufeln die repräsentative Relativtemperatur T_rel am Rotoreintritt bestimmt werden. Dieser Wert für die Relativtemperatur T_rel ist diejenige Größe, die dazu verwendet wird, das Triebwerk so zu regeln, daß eine Überhitzung der Hochdruck­ turbine 4 und insbesondere des statischen Einrittsleitrads 3 verhindert wird.

Aus der Relativtemperatur T_rel am Rotoreintritt kann mittels einer empirischen Korre­ lation die Brennkammeraustrittstemperatur T₄ oder die damit in enger Beziehung stehende Rotoreintrittstemperatur T₄₁ abgeleitet werden. Um eine Überhitzung der Hochdruckturbinenteile 3 und 4 zu verhindern wird das Triebwerk so geregelt, daß die Brennkammeraustrittstemperatur T₄ bzw. die Rotoreintrittstemperatur T₄₁ einen vorgegebenen Wert bzw. einen Maximalwert nicht überschreitet.

Die Kühlungseffektivität η_K ist näherungsweise eine Konstante. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich jedoch, daß η_K auch, allerdings schwach, abhängig von der Reynoldszahl ist. Ebenfalls kann das radiale Temperaturprofil des aus der Brenn­ kammer 2 austretenden Gasstroms die Kühlungseffektiv η_K lokal beeinflussen. Weiterhin besteht eine Abhängigkeit von Austrittsdruck P₃ und Austrittstemperatur T₃ des Hochdruckverdichters 1.

Zwischen der relativen Rotoreintrittstemperatur T_rel und der absoluten Rotoreintritts­ temperatur T₄₁ besteht ein enger Zusammenhang. Wie aus der Anwendung der Kontinuitätsbeziehung (konstantes Luftsystem) auf die Turbine gezeigt werden kann, ist das Verhältnis der absoluten Rotoreintrittstemperatur T₄₁ und der repräsentativen Relativtemperatur T_rel lediglich von der korrigierten Drehzahl N_H/T₄₁^1/2 abhängig, wobei N_H die Drehzahl der Hochdruckturbine ist:

T₄₁/T_rel = f (N_H/T₄₁^1/2) (3)

Dieser funktionelle Zusammenhang kann zum Beispiel in Form einer Tabelle festge­ halten und zur Regelung des Triebwerks verwendet werden. Damit kann dann die Rotoreintrittstemperatur T₄₁ als Funktion der Turbinendrehzahl N_H und der repräsenta­ tiven Relativtemperatur T_rel bestimmt werden. Die letztere kann wiederum aus der von der pyrometrischen Meßeinrichtung gemessenen Temperatur T_metall der Rotorsch­ aufeln, der Verdichteraustrittstemperatur T₃ und der Kühlungseffektiv η_K der Ro­ torschaufeln berechnet werden, wie oben hergeleitet wurde.

Aus der Rotoreintrittstemperatur T₄₁ kann die Brennkammeraustrittstemperatur T₄ durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor leicht bestimmt werden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Regelung des Triebwerks an­ stelle eines Grenzwerts für die mit der pyrometrischen Meßeinrichtung gemessenen Temperatur T_metall der Turbinenschaufeln ein Grenzwert für die Brennkammeraus­ trittstemperatur T₄ oder für die Rotoreintrittstemperatur T₄₁ verwendet. Dadurch können die Teile der Hochdruckturbine, insbesondere deren statische Teile 3 zuver­ lässig gegenüber zu hohen Temperaturen geschützt werden, wie sie infolge von großen Luft- und Leistungsentnahmen mit einer konventionellen Regelung auf konstante Rotorschaufeltemperatur auftreten. Die Messung von Luft- und Leistungs­ entnahmemengen ist dazu nicht notwendig.

Claims (13)

1. Verfahren zur Regelung eines Turbo-Strahltriebwerks mit einem Hochdruck­ verdichter, einer Brennkammer und einer Hochdruckturbine, bei welchem die Rotorschaufeln der Hochdruckturbine mittels vom Hochdruckverdichter zu­ geführter Kühlluft gekühlt werden und die Rotorschaufeltemperatur der Hoch­ druckturbine gemessen wird, um eine Überhitzung zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß aus Meßwerten für die Verdichteraustrittstemperatur und die Rotorschaufeltemperatur und aus einem Wert η_K für die Kühlungseffekti­ vität der Rotorschaufeln eine repräsentative Relativtemperatur am Rotoreintritt T_rel bestimmt wird, und daß die Relativtemperatur T_rel dazu verwendet wird, das Triebwerk so zu regeln, daß es nicht überhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Relativtem­ peratur am Rotoreintritt T_rel mittels einer empirischen Korrelation eine Brenn­ kammeraustrittstemperatur T₄ abgeleitet wird, und daß das Triebwerk so geregelt wird, daß die Brennkammeraustrittstemperatur T₄ einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Relativtem­ peratur am Rotoreintritt T_rel mittels einer empirischen Korrelation eine ab­ solute Rotoreintrittstemperatur T₄₁ abgeleitet wird, und daß das Triebwerk so geregelt wird, daß die Rotoreintrittstemperatur T₄₁ einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeltemperatur mittels eines Strahlungspyrometers gemessen und der pyrometrisch gemessene Wert der Rotorschaufeltemperatur T_metall für die Bestimmung der repräsentativen Relativtemperatur T_rel verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert für die Kühlungseffektivität η_K als konstant angenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert für die Kühlungseffektivität η_K als Funktion in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Triebwerks bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammeraustrittstemperatur T₄ oder die absolute Rotoreintrittstemperatur T₄₁ aus der Relativtemperatur am Rotoreintritt T_rel mittels eines funktionellen Zusammenhang abgeleitet wird, der die Drehzahl des Triebwerks als variable Größe enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Rotor­ eintrittstemperatur T₄₁ aus der Relativtemperatur am Rotoreintritt T_rel mittels des funktionellen Zusammenhangs T₄₁/T_rel = f (N_H/T₄₁^1/2)abgeleitet wird, wobei N_H/T₄₁^1/2 die korrigierte Drehzahl N_H der Hochdrucktur­ bine ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckverdichteraustrittstemperatur T₃ direkt gemessen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckverdichteraustrittstemperatur T₃ aus Betriebsparametern des Trieb­ werks abgeleitet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckverdichteraustrittstemperatur T₃ direkt zur Bestimmung der Betriebstemperatur am Rotoreintritt T_rel verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Relativtemperatur am Rotoreintritt T_rel ein aus der Hoch­ druckverdichteraustrittstemperatur T₃ und aus anderen Betriebsparametern des Triebwerks abgeleiteter Wert für die Kühllufttemperatur im Bereich der Ro­ torschaufeln der Hochdruckturbine verwendet wird.

13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Regelung eines Turbostrahltriebwerks in Mehrwellenbauweise.