DE19944006B4

DE19944006B4 - Verfahren zum Analysieren und ständigen Überwachen von Abgasparametern in Triebwerken von Flugzeugen während des Flugs

Info

Publication number: DE19944006B4
Application number: DE19944006A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Tank; Erwin Dr. Lindermeir
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: DE19944006A1

Abstract

Verfahren zum Analysieren und ständigen Überwachen von Abgasparametern in Triebwerken von Flugzeugen während des Flugs, indem die Konzentration von Spurengasen, unverbrannten Treibstoff-Bestandteilen und/oder -Partikeln und die Temperatur im Abgasstrom unmittelbar nach dem Triebwerksaustritt erfaßt wird,
die erfaßten Werte einer im Flugzeug untergebrachten Meßwerterfassungseinrichtung zugeführt werden, entweder dort verarbeitet und gespeichert und/oder gegebenenfalls aufgezeichnet werden, oder über Funk an eine stationäre Meßwerterfassungseinrichtung übertragen, dort verarbeitet, gespeichert und/oder gegebenenfalls aufgezeichnet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die räumliche Verteilung der Spurengase (CO, CO₂, NO, NO₂, H₂O, SO₂ und anderen) der unverbrannten Treibstoff-Bestandteile und/oder -Partikel erfaßt wird und auch diese Werte analog den erfaßten Konzentrations- und Temperaturwerten behandelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Analysieren und ständigen Überwachen von Abgasparametern in Triebwerken von Flugzeugen während des Flugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zum Durchführen der Verfahren.
Derartige Messungen werden gegenwärtig in Prüfständen am Boden durchgeführt, und zwar mittels Probenahme und Absaugen der Gase. Die Gase werden über geheizte Leitungen verschiedenen Analysegeräten zugeführt und untersucht. Hinsichtlich der Verteilung von Spurengasen, unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC), Partikeln und Temperaturen ist der Abgasstrahl einer Gasturbine oder eines Flugzeugtriebwerks nicht rotationssymmetrisch, d. h. für genaue Untersuchungen sind Messungen des Profils in einem Schnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Abgase, d. h. Messungen an vielen Punkten im Gasstrahl nötig.
Nachteil dieses Verfahrens ist es daher, daß es sehr aufwendig ist, insbesondere wenn nicht nur eine Punktmessung durchgeführt werden soll, sondern das Profil des Abgasstrahls vermessen werden soll. Ferner ist nachteilig, daß die Probennahme nicht rückwirkungsfrei ist, d. h. den Triebwerkszustand beeinflußt.. Als besonders nachteilig wird angesehen, daß die Analyseverfahren aufwendig sind und nicht ohne Bediener über längere Zeiträume betrieben werden können. Ein weiterer großer Nachteil ist ferner, daß die bekannten Verfahren nur mit großem Aufwand in fliegenden Flugzeugen eingesetzt werden könnten. Ein solcher Einsatz ist daher bisher nicht durchgeführt worden.

In DE 198 24 037 A1 ist ein Emissionsüberwachungssystems beispielsweise für Flugzeuge beschrieben, in welchem die wich tigsten umweltrelevanten Schadstoffe, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO, Stickstoffmonoxid NO und Kohlendioxid CO₂ an Bord der Flugzeuge erfasst, registriert und für die Auswertung mittels Datenträger oder sonstiger Datenüberwachungssysteme den jeweiligen Auswertezentralen zur Verfügung gestellt werden. Hierbei sind die Mess-Systeme entweder unmittelbar im Abgasstrom untergebracht oder sie entnehmen einen Teilstrom aus dem Abgas zwecks Gasaufbereitung und Vorbehaltung und leiten sie zu einem Messgerät.

Hierbei werden die Messdaten entweder mit den von den bordeigenen Messgeräten gelieferten Daten zusammen so aufgenommen, dass sie einen chronologischen Verlauf der Emissionen während des Fluges darstellen. Die Emissionsdaten werden entweder per Kabelverbindung an die Schnittstellen oder per Datenträger, wie Disketten, Karten usw. oder durch drahtlose Übertragung oder über andere Wege zur Auswertezentrale geleitet, wo sie verarbeitet werden.

Aus EP 0881 373 A2 ist eine Emissionssteuerung für eine Gasturbine bekannt, wobei mittels eines Abgas-Überwachungssystems die aktuelle Menge eines Emissionsbestandteils, wie beispielsweise Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid und/oder unverbrannte Kohlenstoffbestandteile gemessen werden, ein erstes Signal an eine Steuereinheit abgegeben und interpretiert wird und ein zweites Signal an eine Aktuatoreinrichtung gesendet wird, um einen Fluidstrom zu dem Verbrennungsabschnitt zu steuern, der von der Gasturbine abgegebene Emissionen in dem Abgas mitgeführt.

Aufgrund von neueren ökologischen und ökonomischen Anforderungen besteht der Bedarf, Analysen von Triebwerksabgasen im Flug insbesondere unter Steig- und Reiseflugbedingungen durchzuführen. Dafür gibt es zur Zeit kein erprobtes, operationell zu verwendendes Verfahren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Spurengase, wie CO, CO₂, NO, NO₂, H₂O, SO₂ und andere, unverbrannte Treibstoff-Bestandteile und/oder Partikel von Triebwerksabgasen von Flugzeugen im Flug ständig zu analysieren und fortwährend zu überwachen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen. Ferner sind Einrichtungen zum Durchführen der Verfahren angegeben.

Gemäß der Erfindung wird zum Analysieren und ständigen Überwachen von Abgasparametern in Triebwerken von Flugzeugen während des Flugs außer der Konzentration von Spurengasen, unverbrannten Treibstoff-Bestandteilen und/oder Partikeln und der Temperatur im Abgasstrom unmittelbar nach deren Austritt aus dem Triebwerk zusätzlich die räumliche Verteilung der Spurengase, wie CO, CO₂, NO, NO₂, H₂O, SO₂, der unverbrannten Treibstoff-Bestandteile und/oder -Partikel erfasst. Auch diese Werte werden analog den erfassten Konzentrations- und Temperaturwerten behandelt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus den erfaßten Werten Spektren gebildet, aus welchen sowohl Gaskonzentrationen und/oder Gasprofile als auch optional Temperaturen und Temperaturprofile bestimmt werden. Hierbei wird zur Gewinnung der Abgasparameter die gesamte zur Verfügung stehende Spektralinformation eingesetzt.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die im Flugzeug oder in einer stationären Messwerterfassungseinrichtung verarbeiteten und aufbereiteten Meßwertdaten zum Regeln/Steuern der Verbrennung der Flugzeugtriebwerke während des Flugs verwendet. Die in der stationären Einrichtung am Boden verarbeiteten und/oder gegebenenfalls gespeicherten Meßwertdaten werden an das Flugzeug, vorzugsweise per Funk zurückübermittelt, um dort zum Regeln/Steuern der Verbrennung der Flugzeugtriebwerke während eines Flugs verwendet zu werden.

Gemäß der Erfindung wird miniaturisiertes Instrumentarium zur vorzugsweise berührungslos durchgeführten Erfassen der räumlichen Verteilung von Spurengasen, unverbrannten Treibstoff-Bestandteilen und/oder -Partikeln in Kombination mit berührungslos oder berührend arbeitenden Messeinrichtungen, wie Sonden, Sensoren und Fühlern genutzt, die an geeigneten Stellen des Triebwerksaufbaus, wie bespielsweise an Nebenstrom(Bypass-)Verkleidungen, Mischern, einem Triebwerkskonus u.ä. angebracht sind, ohne die Funktion des Triebwerks und die Flugsicherheit zu beeinträchtigen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 als Längsschnitt ein Schnittbild eines Triebwerks mit Nebenstrom und allen Einzelheiten zur Übersicht;
2 schematisch einen Längsschnitt eines Teil eines Triebwerks mit Nebenstrom;
3 vergrößert einen Ausschnitt des rechten Teils von 2 und
4 eine Draufsicht auf eine Temperaturverteilung der Gase in einem Mischer.
In 1 ist in Form eines Längsschnitts ein Schnittbild eines Triebwerks mit Nebenstrom und allen Einzelheiten zur Übersicht dargestellt. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes Triebwerk, bei welchem ein Nebenstrom 11 zwischen dem Hauptstrom (Heißgasstrom) 21 und einer Triebwerksverkleidung 10 in 2 links, wie durch einen Pfeil 12 gekennzeichnet, eintritt und rechts, wie durch einen weiteren Pfeil 13 angedeutet, wieder austritt. Die wesentlichen Elemente eines Heißgasteils 2 dese Flugzeugtriebwerks 1 sind Verdichter 22, Brennkammer 23, Turbine 24 und Austrittsdüse 25.
Ein gemäß der Erfindung abgezweigter Nebenstrom 3 strömt zwischen einer Wandung 82 einer Heißgasdüse 8 und einer zur Abweichabzweigung des Nebenstroms 3 installierten, etwa parallel zur Heißdüsen-Außenwandung 82 verlaufenden Wandung 31 hindurch. Der abgezweigte Nebenstrom 3 dient zur Kühlung von zwischen den beiden Wandungen 31 und 82 in 2 und 3 nicht näher dargestellten, integrierten Meßeinrichtungen. Der Nebenstrom 11 und der Heißgasstrom 21 durchströmen einen schematisch dargestellten Mischer 9 und treten als gemischter Gasstrom 5 aus. Ferner ist schematisch am Ende eines heißen Konus 6 ein austretender Heißgasstrom 21 angedeutet.
In 3 ist vergrößert ein Ausschnitt der 2 wiedergegeben, und zwar sind Bereiche angegeben, in denen nicht näher dargestellte Sensorik installierbar ist. Zur Installation von in 2 und 3 nicht näher dargestellten Temperatursensoren sind die gesamten, dem Heißgasstrom 21 ausgesetzten Oberflächen des heißen Konus 6, der Heißgasdüse 8 und des Mischer 9 vorgesehen.
Eine ebenfalls nicht näher dargestellte Meßsensorik zum Erfassen von im Abgas enthaltenen Spurengasen sowie Partikeln ist zwischen der Außenwand 82 der Heißgasdüse 8 und der etwa parallel zu dieser verlaufenden Wandung 31 installiert. Hierbei sind Wände 82 der Heißgasdüse 8 mit in 3 nicht dargestellten Bohrungen und/oder infrarotdurchlässigen Fenstern, beispielsweise aus Germanium, Saphir u.ä. versehen, welche den „Blick" auf und durch das Heißgas ermöglichen.
Vorzugsweise wird eine Meßsensorik an der kalten Wandung 31 des abgezweigten Nebenstroms 3 installiert. In den Teil der Wandung 31, der über die Wandung 82 der Heißgasdüse 8 hinausragt, ist ebenfalls eine nicht näher dargestellte Gas- und Partikel-Meßsensorik installiert, und zwar vorzugsweise an der kalten Wandung 31, wodurch die Sensorik „direkten Blick" auf den aus der Heißgasdüse 8 ausströmenden Heißgasstrom 21 hat.
In einem durch eine geschweifte Klammer gekennzeichneten Bereich 15 der Nebenstromverkleidung 10, welcher über den über die Heißgasdüse 8 vorstehende Teil der Wandung 31 hinrausragt, ist ebenfalls eine wiederum nicht näher dargestellte Gas- und Partikel-Meßsensorik unterzubringen, die ebenfalls wieder einen „direkten Blick" auf den Heißgasstrom 21 hat. Eine in diesem Bereich installierte Sensorik erfaßt neben dem Heißgasstrom 21 auch das zur Kühlung von Meßgeräten abgezweigte kalte Nebenstromgas, das zwischen den Wandungen 31 und 82 hindurchströmt, was bei der Analyse berücksichtigt wird. In einem in der Gasströmungsrichtung nach dem Mischer 9 liegenden Bereich 16 der Nebenstromverkleidung 10 ist eine wiederum nicht näher dargestellte Gas- und Partikel-Meßsensorik installiert, die ebenfalls wieder eien „direkten Blick" auf das austretende Gasgemisch hat.
Schließlich zeigt 4 in einer Draufsicht die Temperaturverteilung der Gase in einem speziellen Mischer, einem sogenannten „lobe"-Mischer, wobei die Unsymmetrie der Verteilung deutlich zu erkennen ist. Auf der Oberfläche der Mischerstruktur sind in einer vorteilhaften Weise gemäß der Erfindung in Bohrungen und/oder Nuten Temperaturfühler montiert. Derartige Bohrungen können auch auf den anderen Strukturen, wie beispielsweise der Außenfläche des heißen Knonus 6 oder der Heißdüsen-Verkleidung 82 vorgesehen sein.
Gemäß der Erfindung sind beispielsweise Komponenten des jeweils verwendeten Spektrometers an kalten Teilen des Triebwerksaufbaus angebracht, wobei eine Sichtverbindung zum Abgasstrahl sichergestellt ist. Hierfür geeignete Strukturen am Triebwerk sind beispielsweise die Verkleidung des Bypass-Luftstroms bzw. die äußere Triebwerksverkleidung 10. Hierbei kann mittels eines einzelnen Spektrometers ein Sichtstrahl durch den Abgasstrahl erfaßt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Infrarotspektrometer im Spektralbereich von etwa 3 bis 14 μm Wellenlänge, in Form vorzugsweise miniaturisierter Laserspektrometer (mit durchstimmbaren Lasern), Fourier-Transform-Spektrometer, Gitterspektrometer, Laser-Fluoreszenzspektrometer, alternativ auch NDIR-(Non Dispersive Infra Red)Systeme, sowie DOA-(Differential Optical Absorption)Spektrometer zur Gasanalyse verwendet. Diese Geräte bzw. Systeme werden als berührungslos oder berührend arbeitende Systeme eingesetzt, d. h. sie sind mit dem zu untersuchenden Gasstrom in direktem Kontakt oder gewinnen die Meßinformation ohne Kon takt. Ferner können sie einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
Ferner werden bevorzugt durchstimmbare Infrarotdiodenlaser-Spektrometer ebenfalls im Spektralbereich von etwa 3 bis 14 µm verwendet, die als Absorption-Spektrometer arbeiten oder als laserinduzierte Fluoreszenz-Spektrometer und als Strahlungsquelle (für Absorptionsspektrometer) bzw. zur Anregung (der Fluoreszenz) die DF-(Difference Frequency)Generation in AgGaS₂ oder in periodisch gepoltem LiNbO₃ nutzen. Dies geschieht durch Mischung zweier Farbstofflaser (Dye laser) im mittleren Infrarot (MIR von 7 bis 9 µm) oder Mischen von Farbstofflaser und Ti:Saphir-Laser (MIR im Bereich von 4,8 bis 6,5 µm), oder Mischen von Ti:Saphir- und Diodenlaser (MIR bei 5 und 4,3 µm) sowie Mischen von Neodym:YAG (NdYAG) und Diodenlaser (MIR bei 3,2 µm). Als Strahlungsempfänger werden vorzugsweise thermoelektrisch gekühlte Infrarotdetektoren verwenden. Aus den von diesen Absorptions- und laserinduzierten Fluoreszenz-Spektrometern gemessenen Spektren werden sowohl Gaskonzentrationen, UHC-Konzentrationen als auch Temperaturen bestimmt.
Bevorzugt wird ferner eine Anordnung aus einer Anzahl von Spektrometern dergestalt eingesetzt, daß die Sichtbündel mehrerer Spektrometer mit ihren optischen Achsen parallel und senkrecht zueinander angeordnet sind. Mit einem solchen Aufbau können dann mehrere zueinander parallele und senkrechte Bündel durch das Gasvolumen erfaßt werden, die – wie ein Gitter mit gemeinsamen Kreuzungspunkten – den Gasstrahl senkrecht zur Gasfluß-richtung, d. h. senkrecht zur Triebwerksachse, durchschneiden. Die mit diesem Aufbau gewonnenen Spektren werden einer tomographische Analyse gemäß der Patentanmeldung 198 21 956.3 unterzogen, aus welcher dann die räumliche Verteilung der Gaskomponenten, der UHCs und ihrer Temperatur resultieren.
Ein Spektrometer weist jeweils als Sender vorzugsweise einen Laser und als Empfänger einen Infrarotdetektor auf, die an der den Gasstrahl umfassenden Triebwerksstruktur einander gegenüber angeordnet und so justiert sind, daß sich ihre optischen Achsen decken und sich zwischen beiden das zu untersuchende Gasvolumen befindet. Die Gesichtsfeldwinkel und die Aperturen von Laser und Infrarotdetektor sind aneinander angepaßt, d. h. der Gesichtsfeldwinkel des Detektors ist mindestens so groß wie der des Lasers und die vom Laser ausgeleuchtete Fläche in einem Abstand vom Laser, welcher dem Abstand zwischen Laser und Detektor entspricht, ist mindestens so groß wie die Detektorfläche.
Dadurch ist die Justierung vereinfacht und auch bei Einflüssen aufgrund von Vibration und thermischer Ausdehnung ist eine Überdeckung des Detektorgesichtsfeldes durch die Laserstrahlung sichergestellt. Dabei ist zu gewährleisten, daß benachbarte Laser nur den ihnen zugeordneten Detektor bestrahlen und nicht auch diesem benachbarte Detektoren. Ferner ist zu beachten, daß der Abstand von Sender und Empfänger vom Ort ihrer jeweiligen Montage abhängt und bei Verwendung mehrerer parallel angeordneter Spektrometer der Abstand nicht zwangsläufig für alle gleich ist.
Die zur Montage ausgewählten kalten Teile des Triebwerksaufbaus, wie Bypass-Verkleidung, äußere Triebwerksverkleidung u.ä. werden bevorzugt auch als Wärmesenken zur Kühlung der Infrarotdetektoren und zur Temperaturstabilisierung der Laserquellen genutzt; dies kommt besonders im Reiseflug großer Verkehrsmaschinen in großer Höhe zur Anwendung. Für eine direkte Strahlungsaussendung und einen direkten Strahlungsempfang werden die dafür erforderlichen Spektrometerkomponenten (Laser, Detektor) oder die ganzen Spektrometer direkt an die vorstehend im einzelnen angegebenen Strukturen des Triebwerks montiert.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die Infrarotstrahlung der Infrarotspektrometer von den Strahlungsquellen über Strahlungsleitfasern zum Triebwerksabgasstrahl geführt. Ebenso wird bevorzugt auch die transmittierte Strahlung oder die Fluoreszenzstrahlung über Strahlungsleitfasern zum Infrarotdetektor geführt. Dazu werden als Strahlungsleitfasern Quarzfasern im Bereich bis 2,5 µm, Saphirfasern im Bereich bis 3,8 µm, Infrarot "SG" -Fasern bis 5 µm, Chalcogenide-Fasern bis 11 µm, und Silber-Halide-Fasern bis 16 µm verwendet.
Jeweils ein Sende- und ein Empfangsfaserbündel sind dabei einander gegenüber angeordnet und so justiert, daß ihre optischen Achsen aufeinander fallen und das zu betrachtende Gasvolumen sich zwischen beiden befindet. Hierbei sind der Transmissionsgrad der Fasern und damit die in ihnen auftretenden Verluste zu berücksichtigen. Ist der Transmissionsgrad hoch, können Faserbündel großer Länge verwendet werden; ist er gering, müssen kurze Bündel eingesetzt werden.
Dementsprechend ist in größerer oder geringerer Entfernung vom Meßort der übrige Aufbau (Laser, Spektrometer) angebracht. Für Strahleinkoppel- und -auskoppeloptiken (Strahlaufweitung, Kondensor) an den Strahlungsleitfasern kommen IR-Materialien, wie beispielsweise Kalziumfluorid, Germanium, Silizium, zum Einsatz. Ferner sind die Optiken hinsichtlich Apertur und Gesichtsfeldwinkel aufeinander abzustimmen. Werden mehrere Spektrometer in paralleler/senkrechter Orientierung verwendet, kann es durch Streuung der Laserstrahlung im Gas- und Partikelstrom, zu einer Art "Übersprechen" zwischen den einzelnen Spektrometern kommen; hierdurch gelangt Laserstrahlung von einem Spektrometer zum Detektor der(des) benachbarten Spektrometer(s), wodurch es zu Störungen kommt.
Um ein solches „Übersprechen" zu vermeiden, werden zu einer Messung die Laser der Spektrometer nicht gleichzeitig eingeschaltet, sondern zeitlich nacheinander. Dadurch ist immer nur ein Spektrometer in Betrieb und kann somit keine Streustrahlung von anderen Spektrometern empfangen. Die jeweils notwendige und einzuhaltende Dauer des Betriebs eines jeden Spektrometers hängt wesentlich von den Absorptions- bzw. Fluoreszenz-Eigenschaften des zu analysierenden Gases ab und ist so einzustellen, daß ein für die Meßaufgabe ausreichendes Signal/Rauschverhältnis erreicht wird.
Bei der Strahlungszuführung über Leitfasern wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nur eine einzige Laserquelle verwendet, deren Strahlung über einen optischen Multiplexer sequentiell den einzelnen Sendefaserbündeln aller beteiligten Spektrometer zugeführt wird. Damit ist einerseits das Übersprechen ausgeschlossen, andererseits ist es aus Aufwandsgründen vorteilhaft, daß nur eine Strahlungsquelle benötigt wird, womit wiederum eine vorteilhafte Einheitlichkeit für die Spektrometer erzielt wird.
Noch vorteilhafter ist es, wenn auch auf der Empfangsseite die Strahlung über Strahlungsleitfasern eingekoppelt wird und über einen Multiplexer segentiell einem einzigen Spektrometer zugeführt wird. Dadurch ist bei geringstem technischen Aufwand gleichzeitig meßtechnisch die größte Einheitlichkeit erreicht.
Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, einen Aufbau mit parallelen/senkrechten Meßstrecken so auszurüsten, daß die Senderstrahlung über Multiplexer und Strahlungsleitfaser zum Gasstrom geführt wird, also nur mit einem Laser, oder einer Breitbandquelle für alle Spektrometer, sowie mit einer Anzahl direkt empfangender Spektrometer ausgerüstet ist.
Zur Messung von Partikeln im Gasstrom wird das Verfahren der laserinduzierten Erwärmung der Partikel (laser induced incandescence) angewendet. Ein starker Laser im niederfrequenten Pulsbetrieb strahlt durch den Gasstrom. Die Laserstrahlung erhitzt beim Aufreffen auf Partikel im Gasstrom diese so stark, daß sie sichtbare Strahlung emittieren. In diesem Fall weist das Meßsystem eine Videokamera auf, mit der ein Bild des Gastroms aufgenommen wird. Die vom Laser bestrahlten, leuchtenden Partikel erscheinen im Videobild als helle Punkte, deren Größe ein Maß für die Größe der Partikel ist. Aus dem Bild werden Größe und Verteilung der heißen Partikel bestimmt.
Es ist auch möglich, anstelle einer Videokamera ein Leuchtdichtemeßgerät zu verwenden, welches integral die Leuchtdichte der erhitzten Partikel erfaßt. Die Leuchtdichte ist proportional der Summe der sichtbaren Oberflächen aller leuchtenden Teilchen.
Ferner sind zur Unterstützung der Bestimmung der Temperatur des Gasstroms und der Temperaturverteilung ein Gasstrom gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung an im Gasstrom befindlichen Triebwerksteilen, wie Heißgasdüse, Austrittskonus, Mischer u.a., Temperaturfühler, wie Thermoelemente, Thermowiderstände, Temperatur-Oberflächenwellensensoren u.a. angebracht. Hierbei sind die Anzahl der Fühler und ihre Verteilung so gewählt, daß die Temperaturverteilung in dem so zugänglichen Teil des Gasstroms in einem räumlichen Raster von Meßpunkten erfaßt wird, die vorzugsweise etwa 2cm Abstand voneinander haben.
Hierbei ist zu beachten, daß ein Abgasstrom hinsichtlich der Temperaturverteilung nicht rotationssymmetrisch ist, d. h. die Fühler und Komponenten für die spektrometrischen und die Partikel-Messungen sind in möglichst enger Nachbarschaft zu montieren, so daß alle Messungen an demselben Gasvolumen erfolgen. Die ermittelten Temperaturverteilungen dienen einerseits als Vergleichsmessungen für die Temperaturbestimmung aus den parallel gemessenen Gasspektren und andererseits als a priori Information bei der Durchführung der tomographischen spektralen Analyse der gemessenen Spektren.
Als Spektrometer zur Absorptions-, Emissions- und Fluoreszenzspektrometrie können auch flugtaugliche Gitterspektrometer und Fourier-Transform-Spektrometer verwendet werden, die im kalten Bereich des Triebwerksaufbaus, in Strukturen nahe den Triebwerken, wie Tragfläche, Heckrumpf oder im Hauptrumpf installiert sind, und die, wie die Laserspektrometer, direkt oder durch Strahlungsleitfasern optisch an den zu untersuchenden Gasstrom angekoppelt sind. Dann können anstelle von durchstimmbaren Lasern als Strahlungsquellen auch optisch breitbandige Strahler, wie beispielsweise Globar-Strahler verwendet werden, die ansonsten, wie vorstehend für die Laser beschrieben, einzusetzen sind, nämlich mit direkten oder Faserkopplung, mit Anpassung der Koppeloptiken, etc.. Die Spektrometer sollten eine spektrale Auflösung im Bereich von 1cm^–1 haben, um beispielsweise NO und andere Gase mit ausreichender Genauigkeit messen zu können. Für einige Gase, wie beispielsweise CO, genügt auch eine geringere spektrale Auflösung.
Für eine Analyse der unverbrannten Kohlenwasserstoffe werden bevorzugt Laserspektrometer verwendet, da diese eine sehr hohe spektrale Auflösung ermöglichen und somit die Konzentrationsverteilung einzelner Kohlenwasserstoffverbindungen bestimmt werden kann. Es kann aber auch mit niedrig auflösenden Spektrometern gemessen werden, da aus niedrig aufgelösten Spektren sich ein Summenwert für die Kohlenwasserstoffe ableiten läßt.
Moderne Triebwerke verfügen über einen starken (kalten) Nebenstrom 11 (2) aus Luft, der am Heißgasteil 2 vorbeigeführt ist und keine Verbrennungsgase enthält. Sozusagen im Zentrum des Nebenstroms 11 strömt das Heißgas, das alle Verbrennungsprodukte enthält. Der Nebenstrom 11 und die ihn einfassende Triebwerksverkleidung 10 ragen in Ausströmrichtung häufig über die Heißgasdüse 8 hinaus. Daher ist diese Nebenstromverkleidung 10 geeignet zur Montage von Meßeinrichtungen, die das Heißgas 21 analysieren. Verfügen die zu untersuchenden Triebwerke nicht über geeignete Montagestrukturen in der Nähe des Abgasstroms (auf einer Sichtlinie durch das Abgas), dann sind gemäß der Erfindung solche Strukturen anzubringen.
Die neueste Entwicklung von Triebwerken verfügt über einen Mischer 9, in welchem der Heißgasstrom 21 und der große Nebenstrom 11 zusammengeführt und gemischt werden und erst nach der Mischung das Triebwerk 1 endgültig verlassen. Bei einem solchen Triebwerk können die Meßeinrichtungen vor und/oder nach dem Mischer angebracht werden.
Hierbei wird eine spektromerische Messung hinter dem Mischer 9 bevorzugt, da hier die Profile der Gasverteilungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung weitgehend ausgeglichen sind, d. h. die Verteilung nahezu homogen ist, was die Verwendung einfacher Analyseverfahren bei der Auswertung der Spektren erlaubt. Auf dem Mischer 9 selbst können Temperaturfühler an dessen Eintritts- und an seinem Austrittsseite angebracht werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Meßeinrichtungen in die den Heißgasstrom umfassende und ihn führende Umkleidung (Heißgasdüse integriert. Dazu ist diese doppelwandig auszuführen, wobei zwischen den beiden Wänden kalte Nebenstromluft hindurchgeführt wird. Zwischen den beiden Wänden sind auch die Meßsysteme oder Leitfasern mit Koppeloptiken untergebracht. Hierdurch werden die Meßsysteme von der kalten Nebenstromluft gekühlt. Alternativ werden die miniaturisierten Systeme direkt – eventuell thermisch isoliert – auf die Außenseite der Heißgasdüse aufgesetzt und der Kühlung durch den Nebenstrom ausgesetzt. Die Heißgasdüse ist dabei mit Bohrungen und Befestigungen für die Meßeinrichtungen versehen, so daß eine Durchstrahlung/Beobachtung des Heißgasstroms ermöglicht ist.

1: Triebwerk
10: Triebwerksverkleidung
11: Nebenstrom
12/3/5: Pfeil
15/16: Bereich
2: Heißgasanteil
21: Haupt-(Heißgas-)strom
22: Verdichter
23: Brennkammer
24: Turbine
25: Austrittsdüse
3: abgezweigter Nebenstrom
31: Wandung für 3
5: gemischter Gasstrom
6: heißer Konus
8: Heißgasdüse
82: Wandung von 8
9: Mischer

Claims

Verfahren zum Analysieren und ständigen Überwachen von Abgasparametern in Triebwerken von Flugzeugen während des Flugs, indem die Konzentration von Spurengasen, unverbrannten Treibstoff-Bestandteilen und/oder -Partikeln und die Temperatur im Abgasstrom unmittelbar nach dem Triebwerksaustritt erfaßt wird, die erfaßten Werte einer im Flugzeug untergebrachten Meßwerterfassungseinrichtung zugeführt werden, entweder dort verarbeitet und gespeichert und/oder gegebenenfalls aufgezeichnet werden, oder über Funk an eine stationäre Meßwerterfassungseinrichtung übertragen, dort verarbeitet, gespeichert und/oder gegebenenfalls aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die räumliche Verteilung der Spurengase (CO, CO₂, NO, NO₂, H₂O, SO₂ und anderen) der unverbrannten Treibstoff-Bestandteile und/oder -Partikel erfaßt wird und auch diese Werte analog den erfaßten Konzentrations- und Temperaturwerten behandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den erfaßten Werten Spektren gebildet werden, aus welchen sowohl Gaskonzentrationen und/oder Gasprofile als auch optional Temperaturen und Temperaturprofile bestimmt werden und zur Gewinnung der Abgasparameter die gesamte zur Verfügung stehende Spektralinformation verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Flugzeug oder in der stationären Meßwertverarbeitungseinrichtung verarbeiteten und aufbereiteten Daten zum Regeln/Steuern der Verbrennung in Flugzeug-Triebwerken während des Flugs verwendet werden.
Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen der räumlichen Verteilung der Spurengase (CO, CO₂, NO, NO₂, H₂O, SO₂ und anderen), der unverbrannten Treibstoff-Bestandteile und/oder -Partikel im Abgasstrom (5) unmittelbar nach dem Triebwerksaustritt an verhältnismäßig kalten Triebwerksteilen (10, 31) miniaturisierte, berührungslos und/oder berührend arbeitende Meßeinrichtungen, wie miniaturisierte Infrarot-Spektrometer, Gassensoren und/oder Temperaturfühler, miniaturisierte Infrarot-Diodenlaser-Spektrometer im Spektralbereich von 3 bis 14 µm und/oder miniaturisierte laserinduzierte Fluoreszenzspektrometer angebracht sind, welche über Leitungen oder drahtlos mit im Flugzeug untergebrachten Einrichtungen in Verbindung stehen, in welchen die Meßwerte mittels entsprechender Einrichtungen erfaßt, verarbeitet, gespeichert und/oder gegebenenfalls aufgezeichnet werden, und/oder von welchen aus die erfaßten Meßwerte über Funk an eine stationäre Einrichtung zum Verarbeiten, Speichern und/oder gegebenenfalls Aufzeichnen übertragen werden.
Einrichtung nach Anspruch 4, für Triebwerke mit Heißgasdüse (8) und Nebenstrom (11), dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Austrittsseite der Heißgasdüse (8) zum Ausbilden eines abgezweigten Nebenstroms (3) etwa parallel zu und im Abstand von deren Außenwandung (82) eine die Heißgasdüse (8) umschließende Wandung (31) vorgesehen ist, an welcher die miniaturisierten Meßeinrichtungen angebracht sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten von Spektrometern an kalten in Sichtverbindung zum Abgasstrom befindlichen Teilen (10, 31) des Triebwerkaufbaus in der Weise angebracht sind, daß die Bündel mehrerer Spektrometer mit ihren optischen Achsen parallel und senkrecht zueinander verlaufen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch kalte Teile eines Triebwerkaufbaus als Wärmesenken zum Kühlen von dort angebrachten Infrarot-Detektoren und zur Temperaturstabilisierung von Laserquellen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Triebwerken mit einem Mischer zum Mischen der Gase aus Triebwerk und Nebenstrom (Bypass) die miniaturisierten Meßeinrichtungen an und/oder hinter dem Mischer vorgesehen sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der Bestimmung der Temperatur und ihrer Verteilung an im Gasstrom befindlichen Triebwerksteilen (6, 8, 9) Temperaturfühler (Thermoelemente, Thermowiderstände, Temperatur-Oberflächensensoren) angebracht sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Spektrometer zur Absorptions-, Emissions- und Fluoreszenz-Spektrometrie flugtaugliche Gitterspektrometer und Fourier-Transform-Spektrometer vorgesehen sind, die in kalten Bereichen des Triebwerkaufbaus in und/oder an Strukturen nahe der Triebwerke (Tragfläche, Heckrumpf) oder am Hauptrumpf so installiert sind, daß sie direkt oder durch Strahlungsleitfasern optisch an den zu untersuchenden Gasstrom angekoppelt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Störungen durch Streuen von Laserstrahlung im Gasstrom die Laser der Spektrometer zeitlich nacheinander so eingeschaltet werden, daß immer nur ein Spektrometer in Betrieb ist, und die jeweilige Dauer des Betriebs in Abhängigkeit vom jeweils zu untersuchenden Gas bezüglich des Signal/Rauschverhältnisses abgestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel im Gasstrom mittels laserinduzierter Erwärmung zur Emission von Infrarotstrahlung angeregt werden und mittels einer Infrarotkamera zum Bestimmen von Größe und Verteilung der heißen Partikel im Gasstrom ein Bild des Gasstroms aufgenommen wird.