DE2265042C2

DE2265042C2 - Einrichtung zur indirekten Ermittlung des Gesamt- druckes im Düseneingang eines Strahltriebwerks

Info

Publication number: DE2265042C2
Application number: DE2265042A
Authority: DE
Inventors: George Barrie Corners Ont. McDonald; John Richard Bryan Kanata Murphy; Edelbert G. Belle-Mead N.J. Plett
Original assignee: Control Data Canada Ltd
Current assignee: General Dynamics Canada Ltd
Priority date: 1971-10-29
Filing date: 1972-10-25
Publication date: 1982-08-12
Also published as: GB1384931A; DE2252337B2; US3835701A; DE2252337A1; DE2252337C3; IT975640B; DE2265042A1; JPS4851113A; CA998770A; JPS5121082B2; FR2159072A5

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist

Zur Ermittlung des aerodynamischen Gesamt- oder Strahlschubes von Strahltriebwerken benötigt man die Kenntnis des Düsengesamtdruckes Pm, der am Eingang der Düse eines Strahltriebwerkes, das einen in Strömungsrichtung hinter der Turbine gelegenen Diffusor hat, herrscht Dies gilt sowohl für den Fall eines Triebwerkes ohne Nachverbrennung, als auch für den Fall mit Nachverbrennung.

Au» der GB-PS 9 90 687 ist ein Verfahren zur Messung des Gesamtschubes eines Strahltriebwerkes bekannt, wobei der Gesamtdruck am Düseneingang mittels einer Vorrichtung gemessen wird, die sich hinter dem Nachbenner befindet Eine solche Maßnahme stößt jedoch auf die Schwierigkeit, da für eine derartige, hinter dem Nachbrenner befindliche Meßvorrichtung die Lebensdauer außerordentlich begrenzt ist

Zur Lösung dieses Problems hat man bisher den Weg beschritten, für diese Gesamtdruckmessung Tauchsonden zu verwenden, die nur intermittierend in den Gasstrom im Nachbrenner hereingeschoben werden. Diese Lösung hat sich jedoch ebenso wenig wie diejenige einer kontinuierlichen Kühlung der in den Nachbrenner hereinragenden Gesamtdruckmeßsonde bei fliegenden Systemen bewährt Solche Sonden waren innerhalb sehr kurzer Betriebszeit betriebsunfähig, sobald der Nachbrenner betrieben worden ist

Einzelheiten darüber, wie die physikalische Größe des Düsengesamtdruckes Ptn zur Ermittlung des Düsengesamtschubes eines Strahltriebwerkes herangezogen wird, gehen aus der DE-PS 22 52 337 des Erfinders der vorliegenden Erfindung hervor. Dort ist auch ein Strahltriebwerk mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Einrichtung der Art, wie sie durch die Merkmale des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 beschrieben ist, eine Ermittlung des im Düseneingang herrschenden Gesamtdruckes zu ermöglichen, ohne im Düseneingang selbst eine Gesamtdruckmeßsonde zur Messung dieses Wertes anordnen zu müssen.

Für die Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 wird diese Aufgabe durch das Merkmal des Kennzeichens dieses Anspruches gelöst Die Unteransprüche geben Lösungseiitzelheiten für die Spezialfälle an, nämlich daß das Strahltriebwerk mit Nachverbrennung oder daß es ohne Machverbrennung betrieben wird.

Vorteilhaft für die erfindungsgemäße Einrichtung ist der Umstand, daß die genaue Lage der in die Wand des Strahltriebwerks eingebauten Anzapfungen für die Druckmeßsonden ohne Bedeutung ist Die Drücke brauchen nicht die Drücke an den Meßstationen zu repräsentieren, da es eine einfache statische Eichung des Triebwerks in Meereshöhe ermöglicht, die Meßwerte zu korrigieren. Es können damit auch Fälle berücksichtigt werden, in denen radiale Druckradienten, die auf die Dreidimensionaiität des Gasstromes zurückzuführen sind, Korrekturen der Meßwerte erfordern.

Der Erfindung in ihren Varianten liegen auf zuverlässigen aerodynamischen Prinzipien beruhende neu gefundene Gleichungen zugrunde, mit denen der gefragte Düsengesamtdruck P_m aus dem Diffusorgesamtdruck Pn und wenigstens einem au unabhängigen statischen Druckwert im Ausstoßrohr ermittelt wird. Es ist dazu zusätzlich eine Rechenvorrichtung vorgesehen, die in Abhängigkeit von den geometrischen Verhältnissen der Düse und den gemessenen Dmckwerten diesen Düsengesamtdruckwert Ptn verfügbar macht Die dazu verwendeten Meßwerte werden mit Druckmeßsonden festgestellt die sich im Strahltriebwerk an Stellen befinden, an denen sie nur solchen Belastungen ausgesetzt sind, die eine lange Lebensdauer gewährleisten.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung sowohl für Strahltriebwerke mit konvergenter Düse als auch für solche mit konvergentdivergenter Düse verwendbar ist

Zu den konstruktiven Merkmalen der Erfindung gehört die Gesamtdruckmeßsonde, die sich im Diffusor des Strahltriebwerkes befindet Sie liefert ein erstes Signal. Eine zweite Druckmeßsonde ermittelt den statischen Druck am Düseneingang und sie liefert ein diesen statischen Druck repräsentierendes zweites Signal. Für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung liegt eine dritte Druckmeßsonde tür einen weiteren statischen Druckmeßwert vor. Eine Rechenvorrichtung dient dazu, mindestens das erste und das zweite Signal auf die noch anzugebende Weise miteinander zu kombinieren, um den Gesamtdruckmeßwert zu erhalten.

Die F i g. 1 zeigt schematisch ein mit Nachverbrennung arbeitendes Strahltriebwerk mit einem Diffusor 1, einem Ausstoßrohr bzw. Nachbrenner 2 und einer Düse 3. Ferner ist eine Rechenvorrichtung 4 vorhanden, der Signale von drei Druckfühlern 11,12 und 13 zugeführt werden, die auf den Gesamtdruck Pt 5 in dem Diffusorteil 1 an einer Druckmeßsonde 7, bzw. auf den statischen Druck Ps e im Nachbrenner 2, z. B. in der Flammenhaltezone, im Bereich einer Druckmeßsonde 8 bzw. auf den statischen Düseneingangsdruck Psn einer Druckmeßsonde 9 ansprechen. Die Druckmeßsonde 8 zum Ermitteln des Druckes Pse kann an einem beliebigen Punkt zwischen der der Strömung zugewandten Seite des Diffusors und der Düseneingangszone, d. h. im Nachbrenner 2, angeordnet werden. In der

Düseneingangszone befindet sich die Druckmeßsonde 9 zum Ermitteln des Druckes Psn- Bei einem Triebwerk der dargestellten Art mit einem Nachbrenner wird die Druckmeßsonde 8 somit zweckmäßig in der Nachbrennerzone und insbesondere in der Flammenhaltezone angeordnet Bei einem Triebwerk ohne Nächbrenner kann die Druckmeßsonde 8 in dem Diffusor angeordnet werden.

Die Rechenvorrichtung 4 ermittelt den Düsengesamtdruck Ptn- Der Gesamtdruck Pm wird dann zur Ermittlung des aerodynamischen Gesamtschubes weiter verarbeitet

1 +

Hierin sind:

K\ = dimensionslose Konstante

Ki = aus der geometrischen Form des Ausstoßrohrs abgeleitete dimensionslose Konstante

K₃ = aus den bekannten thermodynamischen Eigenschaften der Triebwerksabgase abgeleitete dimensionslose Konstante

Psn = statischer Druck am Düseneintritt

Ps₆ = statischer Druck nahe dem Flammenhalter

«5 = Pr₅APs₆=Gesamtdruck in der Strömungsrichtung vor dem Flammenhalter im Verhältnis zum statischen Druck nahe dem Flammenhalter

Mpts), /K«s) — Funktionen des Druckverhältnisses

Es ist auch möglich, zwei Druckwerte zu ermitteln, und der Rechenvorrichtung 4 ein die Summe oder die Differenz dieser Druckwerte repräsentierendes Signal zuzuführen.

Die nachstehende, thermodynamische genaue Gleichung (1) stellt eine Beziehung zwischen den Druckwerten Ptn, Pt5 und Ps 6 her, wobei zwei voneinander unabhängig gemessene statische Drücke in dem Triebwerk, vorbestimmte Funktionen der Drücke oder Druckdifferenzen, bekannte Konstanten sowie vorbestimmte Funktionen dieser Konstanten benutzt werden:

[Ma₅) - K₁]

Psn), (fön, Psn), f^Pst. Psn)=Funktionen der statischen Drücke Ps₆ und Psn im Ausstoßrohr f£K₂), W₁K₂) - Funktionen der dimensionslosen Konstanten K₂.

Die Konstante K\ wird aus Leistungsangaben ermittelt, die beim Betrieb des Triebwerks in Meereshöhe ohne Nachverbrennung gewonnen worden sind. Arbeitet das Triebwerk mit Nachverbrennung, kann man die vorstehende Gleichung unverändert benutzen, um den gesuchten Düsengesamtdruck Ptn tu berechnen. Somit ermöglicht es die Gleichung, den Druck Ptn sowohl beim Betrieb mit Nachverbrennung als auch beim Betrieb ohne Nachverbrennung zu ermitteln.

Für jeden Fachmann auf dem Gebiet der Aerodynamik und der Thermodynamik in ihrer Anwendung bei Turbinenstrahltriebwerken liegt es auf der Hand, daß die Durchführbarkeit des Verfahrens zum Ermitteln des Düsengesamtdruckes Ptn nicht von einer bestimmten Anordnung der Drucksonden bzw. der zugehörigen Anzapfungen abhängt In diesem Zusammenhang sei z.B. ein einfaches, mit Nachverbrennung arbeitendes Turbinenstrahltriebwerk betrachtet, zu dem ein Verdichter, eine Verbrennungseinrichtung, eine Turbine, ein Diffusor, ein Ausstoßrohr und eine Düse gehören. Die gebräuchliche Gesamtdrucksonde kann in dem Diffusorteil an einer beliebigen Stelle angeordnet werden, z. B. in der Strömungsrichtung hinter der letzten Turbinenstufe bis zum Flammenhalter des Ausstoßrohres. Die Anzapfung zum Ermitteln des statischen Düsendruckes Psjvmuß in der Strömungsrichtung hinter dem Flammenhalter angeordnet sein. Der durch den statischen Druck im Flammenhalter bestimmte statische

Druck Ps6 kann mit Hilfe einer Anzapfung gemessen werden, die in der Strömungsrichtung hinter dem Flammenhalter, jedoch vor der Anzapfung angeordnet ist mittels welcher der Druck Psn gemessen wird. Auch eine in die Wand eingebaute Anzapfung oder eine in den Gasstrom eintauchende Sonde für den statischen Druck, die in der Strömungsrichtung hinter der letzten Turbinenstufe, jedoch vor dem Flam<menhalter an angeordnet ist liefert die benötigte Anzeige, die den Druck Ps₆ repräsentiert

Es wurde festgestellt daß es möglich ist eine Ermittlung des Düsengesamtdruckes durchzuführen, bei der auf eine unabhängige Messung eines der statischen Druckwerte verzichtet werden kann, nämlich wenn das Triebwerk zu Eichzwecken sowohl im Betrieb ohne Nachverbrennung sowie mit Nachverbrennung untersucht wird. Im Hinblick hierauf ist daher beabsichtigt eine mechanische Durchführung des nachstehend beschriebenen einfachen Verfahrens zu ermöglichen, die es gestattet den Düsengesamtdruck unter Verwendung zweier voneinander unabhängiger Druckwerte im Inneren des Triebwerks und einiger weniger Konstanten zu berechnen.

Die Beziehung zwischen (Pts-Ptn}'Pn und Psn/Pts entspricht sowohl beim Betrieb mit Nachverbrennung als auch beim Betrieb ohne Nachverbrennung im wesentlichen einer geraden Linie. Diese Tatsache wird durch die folgenden einfachen Gleichungen ausgedrückt:

so a) Mit Nachverbrennung:

Ptn= Pr₅(I -a.fPWPrs)- *i)
b) ohne Nachverbrennung:

Ptn= Prs(l - a₂(P_SNl Pts)- tu)

Hierin sind:

Pt5 = in der Strömungsrichtung vor dem Flammenhalter gemessener Gesamtdruck

Ptn = Düsengesamtdruck

Psn = in der Strömungsrichtung hinter dem Flammenhalter gemessener statischer Druck

a\ = Anstieg der einen Kennlinie für den Betrieb mit Nachverbrennung

a₂ = Anstieg der Kennlinie für den Betrieb ohne Nachverbrennung

b\ = Schnittpunkt der Kennlinie für den Betrieb mit Nachverbrennung mit der Achse, der dazu dient, (P_Ts - Pm)/Pts zu repräsentieren

bi = Schnittpunkt der Kennlinie für den Betrieb ohne Nachverbrennung mit der Achse, der dazu dient, (Pts - Pm)/Pts zu repräsentieren.

Daher ist es möglich, den Düsengesamtdruck Pm zu berechnen, indem man die Drücke Pts und Psn im Inneren des Triebwerkes in eine der vorstehenden Gleichungen einsetzt. Die Wahl der betreffenden Gleichung richtet sich nach dem Wert des Verhältnisses Psn/Ptü-

Der Düsengesamtdruck Pm läßt sich somit mit Hilfe einer genauen Gleichung (1) oder empirischen Gleichungen (2 oder 3) berechnen. Beide Gleichungen sind unabhängig von der Düse, mit der das Triebwerk ausgerüstet ist Die Benutzung der genauen Gleichung bedingt das Fühlen mindestens dreier voneinander unabhängiger Druckwerte innerhalb des Triebwerkes und erfordert eine anfängliche Prüfung des Triebwerkes in Meereshöhe während des Betriebs ohne Nachverbrennung. Die Benutzung der empirischen Gleichungen bedingt das Messen mindestens zweier voneinander unabhängiger Druckwerte innerhalb des Triebwerkes, jedoch muß das Triebwerk zunächst in Meereshöhe auf einem ortsfesten Prüfstand bezüglich seines Verhaltens innerhalb des gesamten Verstellbereiches der Drossel untersucht werden.

In Fig.2 ist in Form eines Blockschaltbildes eine Ausführungsform der Recheneinrichtung dargestellt Es sind drei Druckfühler 11, 12 und 13 vorhanden, die Signale erzeugen, welche den Gesamtdruck P_Ts im Diffusor bzw. den statischen Druck Pst im Bereich des Nachbrenners 2 bzw. den statischen Druck Psn im Eingangsbereich der Düse repräsentieren und einem Multiplexer 16 zugeführt werden, an dessen Ausgang ein Satz von Signalen erscheint, die entsprechend den zugeführten Eingangssignalen variieren.

Diese Ausgangssignale werden einem Analog-Digital-Wandler 17 zugeführt, der die Signale in digitale Signale verwandelt, welche einer arithmetischen Vorrichtung 18 zugeführt werden, der drei Speichervorrichtungen zugeordnet sind, und zwar ein Kurzzeit- oder Zwischenspeicher 19, ein Konstantenspeicher 20 und ein Programmspeicher 21. Der Kurzzeitspeicher 19 legt die Maßstäbe für die Eingangsdaten fest und speichert sie kurzzeitig zur Verwendung durch die arithmetische Vorrichtung 18 und nach Bedarf für den Programmspeicher 21. Dem Konstantenspeicher 20 werden in digitaler Form Signale eingegeben, die Konstanten repräsentieren, welche in den Gleichungen 1 bis 3 vorkommen.

Die für den Gesamtdruck Pm erforderlichen Werte -sind in den Speichern 19 und 20 enthalten, so daß die Gleichung 1 gelöst werden kann. Auf welche Weise dies geschieht, dürfte für jeden Fachmann auf dem Gebiet der Rechnertechnik auf der Hand liegen. Die Vorrichtung 22, die einen für die Ermittlung des Wertes Pm notwendigen Bestandteil des Programmspeichers 21 bildet, löst die Gleichung 1, um Ptn zu ermitteln. Im Programmspeicher 21 sind ansonsten noch weitere Bestandteile für die Ermittlung des Gesamtschubes (aus u. a. dem Düsengesamtdruckwert PmJ enthalten.

Werden die empirischen Gleichungen 2 oder 3 benutzt, ist es wie erwähnt, nur erforderlich, zwei voneinander unabhängige Druckwerte innerhalb des Triebwerkes zu verwenden. Eine für diesen Fall geeignete Ausführungsform der Recheneinrichtung entspricht der F i g. 2, jedoch entfällt das Teil 12 und im Programmspeicher 21 sind die Gleichungen 2 und 3 in zwei separaten Speichern anstelle des einen Speichers für die Gleichung 1 eingespeichert Es wird der jeweilige separate Speicher benutzt, dessen eingespeicherte Gleichung 2 oder 3 jeweils gültig ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung an einem Strahltriebwerk mit einem

in Strömungsrichtung hinter der Turbine gelegenen Diffusor, mit einer Gesamtdruckmeßsonde, mit einer Sonde zur Messung des statischen Druckes am Düseneingang und mit einer von den Druckmeßwerten beaufschlagten Recheneinrichtung, gekennzeichnet dadurch, daß zur indirekten Ermittlung des im Düseneingang herrschenden Gesamtdruckes (Pm) die Gesamtdruckmeßsonde (7) im Diffusor (1) angeordnet ist

2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine zusätzliche Druckmeßsonde (8) für einen statischen Druckmeßwert (Pst) bei einem Triebwerk mit Nachbrenner (6) in der Nachbrennerzone (2) angeordnet ist

3. Einrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine zusätzliche Druckmeßsonde für einen statischen Druckmeßwert (P₅*) bei einem Triebwerk ohne Nachbrenner im Diffusor (1) angeordnet ist