DE2418297C2 - Vorrichtung zum Feststellen des Betriebszustandes des Nachbrenners in einem Turbostrahltriebwerk - Google Patents

Vorrichtung zum Feststellen des Betriebszustandes des Nachbrenners in einem Turbostrahltriebwerk

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DE2418297C2
DE2418297C2 DE2418297A DE2418297A DE2418297C2 DE 2418297 C2 DE2418297 C2 DE 2418297C2 DE 2418297 A DE2418297 A DE 2418297A DE 2418297 A DE2418297 A DE 2418297A DE 2418297 C2 DE2418297 C2 DE 2418297C2
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Description

die Kenntnis der von den Druckfühlern gemessenen Druckwerte bei den meisten Turbostrahltriebwerken auch für andere Zwecke von Nutzen ist, so daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders zweckmäßig in den Gesamtaufbau des Turbostrahltriebwerkes > einfügt
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugsnahme auf die Zeichnung dargestellt sind. Hierin zeigt i< >
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Turbostrahltriebwerkes mit einer Vorrichtung zum Feststellen des Betriebszustandes des Nachbrenners und
Fig.2 bis 4 eine schematische Darstellung verschiedener Ausführungsformen der Vorrichtung. ι ϊ
Ein in F i g. 1 schemalisch dargestelltes Turbostrahltriebwerk weist nacheinander folgende von einem Gasstrom Φ durchlaufene Teile auf: Einen Niederdruckverdichter 1, einen Hochdruckverdichter 2, eine Hauptbrennkammer 3, eine Hochdruck-Entspannungs- :ό Turbine 4, eine Niederdruck-Entspannungs-Turbine 5. einen Nachbrennerkanal 6 und eine konvergent-divergente Schubdüse 7.
Der Niederdruckverdichter 1 und die Ni-.derdruck-Turbine 5 bilden zusammen einen Niederclruckkörper. ::"> der mit einer Drehzahl N, umläuft. Ebenso bildet der Hochdruckverdichter 2 mit der Hochdruck-Turbine 4 einen Hochdruckkörper, der mit einer Drehzahl /V2 umläuft. Der Nachbrennerkanal 6 ist mit mindestens einem Flammenhalter 8 ausgerüstet, in dessen Strö- so mungsschatten die Verbrennung des Brennstoffs stattfinden kann, der in den Nachbrennerkanal 6 eingespritzt wird. Die Schubdüse 7 weist Klappen 9 auf, mit denen der Querschnitt s am Düsenhals 10 verändert werden kann. j->
Im folgenden werden bezeichnet mit
die Temperatur der Luft am Eintritt des Niederdruckverdichters I1
die reduzierte Drehzahl des Niederdruckkörpers aus Niederdruckverdichter 1 und Turbine 5,
die reduzierte Drehzahl des Hochdruckkörpers aus Hochdruckverdichter 2 und Turbine 4,
der Druck des Luftstroms am Austritt des Hochdruckverdichters 2,
der Druck des Gasstroms am Ausgang der Niederdruck-Turbine 5,
die der Hauptbrennkammer 3 zugeführte Brennstoffmenge, und
die dem Nachbrennerkanal 6 zugeführte Brennstoffmenge.
IO
Ein Regler 11, der mit einem vom Piloten zu bedienenden Handhebel 12 (Gashebel) versehen ist, stellt einen korrekten Betrieb des Turbostrahltriebwerkes sicher. Dem Regler 11 werden insbesondere die Größen N1, N2, T2, Pt, und Pi eingegeben.
Bei einem »Trotkenschub« (wenn also der Nachbrenner nicht in Betrieb ist), sind die zugeführte Brennstoffmenge Q und der Querschnitt s am Düsenhals 10 in bezug auf die Winkelstellung a. des Handhebels derart programmiert, daß jeder Winkelstellung « dieses Handhebels nach Vorbestimmten Gesetzten ein Wert -^=L der reduzierten Drehzahl des Niederdruckkörpers, 6^
2 M
ein Wert ■*= der reduzierten Drehzahl des Hochdruck-Vn
körpers und ein Wert Pi des Gasdrucks am Ausgang der Niederdruck-Turbine 5 entspricht, der seinerseits im Flug einem gewissen Schub entspricht.
Ist der Nachbrenner im Betrieb, so ist es nötig, daß das Einspritzen von Brennstoff in den Nachbrennerkanal 6 nicht den Betrieb des übrigen Turbostrahltriebwerkes stört, also weder zu einer Erhöhung der Temperatur des in den Nachbrennerkanal 6 einfließenden Gasstromes noch zu einer Veränderung der Drehzahlen N\ und Ni führt. Das Einspritzen von Brennstoff in den Nachbrenner hat nun, wenn alle anderen Bedingungen gleich bleiben, den Momentaneffekt, den Druck Pi
ansteigen zu lassen und so das Verhältnis — aus dem
Gleichgewicht zu bringen, was eine Veränderung der Drehzahlen M und /V> zur Folge hat. Das Ungleichgewicht wird vom Regler 11 behandelt, dei an die Klappen 9 einen Befehl zur Öffnung gibt, um so den Querschnitt s am Düsenhals IO den neuen Betriebsbedingungen anzupassen und dadurch den Druck Pi auf seinen Ausgangswert bei Vollast-»Trockenschub« zurückzubringen. Der Wert des Drucks Pi ist H"shalb unabhängig davon, nb der Nachbrenner benutzt wrd oder nicht.
Mit Px wird im folgenden der statische Druck, mit P\ der Gesamtdruck des Gasstromes Φ bezeichnet, der an einem bestimmten Punkt des Nachbrennerkcials 6 herrscht. Dieser Punkt ist in einem in der Strömungsrichtung vor dem Fl.immenhalter 8 liegenden Bereich des Nachbrennerkan.ils 6 gewählt, so daß gilt P1 = Pr. Weiter wird mit P, der statische Druck des Gasstromes am Düsenhals 10 bezeichnet.
Die gleichzeitige Kenntnis der Druckwerte P1 (oder P\) und P, ermöglicht die Feststellung, ob der Nachbrenner im Betrieb ist oder nicht. Dies ergibt sich aus systematischen Meßreihen, die einerseits beim Betrieb des Triebwerkes im »Trockenschub«, andererseits beim Nachbrennerbetrieb und zwar für verschiedene Werte von Vi, N2, M(Machzahl), Z(Flughöhe) und Q, erhalten werden. Hierbei werden für jeden Punkt des »Trockenschub« — Betriebes, der durch einen Wert von /V1. N2. Mund Z gegeben ist, die Werte Px, P\ und P, gemessen, so daß die Kurven P, = f(Px) und P1 = T(P;) abgenommen werden. Ebenso werden dabei für jeden Punkt des Nachbrennerbetriebes, der durch einen Wert von N]. N2, M, Z oder Qr definiert ist. die entsprechenden Werte von P, P', und Pv gemessen und die Kurven P,=g(P,)sowie P>=g'(P'%) aufgenommen. Dabei stellt sich heraus, daß diese Kurven im wesentlichen Gerade sind, wobei die jeweils den »Trockenschub«-Betrieb bzw. den Nachbrennerbetrieb kennzeichnenden Geraden voneinander deutlich verschieden sind.
Wie oben schon ausgeführt, ist beim normalen Betrieb des Turbostrahltriebwerkes der Wert des Druckt Pi unabhängig davon, ob der Nachbrenne· in Gebrauch ist oder nicht. Gleiches gilt für die Druckwerte Px und P\. Der Übergang vom »Trockenschub«-Betrieb zum Nachbrennerbetrieb erfolgt demnach praktisch bei einem konstanten Wert von P, (oder Ρ',). Für jeden Wert von P, (oder P\) gibt es demnach einen permanenten Abstand zwischen dem Niveau von P, im »Trockens- hub«Betrieb und dem Niveau von P1 beim Nachbrennerbetrieb. Dies ist verständlich, weil die Erhöhung der Temperatur des Gasflusses Φ im Nachbrennerkanal 6 beim Nachbrerir/erbetrieb eine Erhöhung der Strahlgeschwindigkiet dieses Flusses beim Durchtritt durch die Schubdüse 7 und demnach an dieser Stelle eine Verminderung des statischen Drucks Py'm dem Gasstrom zur Folge hat.
Insbesondere ergibt sich, daß der Differenzwcrt (Pr-Py) immer über einem bestimmten Wert Prci von beispielsweise 100 fnb liegt, wenn das Turbosirahltriebwerk im Nachbrennerbetrieb arbeitet, und daß der Differenzwert andererseits immer kleiner als dieses ·> Niveau ist, wenn das Turbostrahltriebwerk im »Trokkenschub«-Betrieb arbeitet. Um mit Sicherheit festzustellen, ob in dem Turbostrahltriebwerk der Nachbrenner im Betrieb ist, genügt es demnach, den Differenzwert (P,- Py)zu bilden und festzustellen, ob er über dem vorgenannten Niveau liegt, das einen charakteristischen Bezugsschwellwert für das Turbostrahltriebwerk darstellt. Ein analoges Ergebnis läßt sich mit Hilfe der Differenzwertes (P', - PJerzielen.
In Anwendung dieser Eigenschaft des Differenzwer is tes umfaßt eine Vorrichtung zum Feststellen des Betriebszustandes des Nachbrenners in einem Turbostrahltriebwerk gemäß Fig. 1 einen ersten Signalgenerator 20 zum Messen des statischen Drucks P, oder des Gesamtdruckes P', des Gasstromes Φ in einem in Sifumiiiigjficiiiürig VOf dem riämiVicitnaiici S gelegenen Punkt des Nachbrennerkanals 6 und zum Bilden eines ersten Ausgangssignals »x«. das eine Funktion des genannten statischen Drucks oder des genannten Gesamtdrucks ist. Die Vorrichtung umfaßt weiter einen zweiten Signalgenerator 21 zum Messen des statischen Drucks Py des Gasstromes Φ am Düsenhals 10 und zum Bilden eines zweiten Ausgangssignales »y« das eine Funktion des genannten statischen Drucks ist. Schließlich umfaßt die Vorrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung 22 zum Verarbeiten der Signale χ und y, die. wenn der aus den Signalen χ und y gebildete Differenzwert (x-y) einen vorbestimmten Bezugsschweliwert überschreitet, ein Ausgangssignal »zn abgibt. Das Ausgangssignal ζ dient als Signal zum Anzeigen des Betriebszustandes des Nachbrenners in einer Anzeigevorrichtung und kann beispielsweise verwendet werden, um einen Schalter in Form eines elektrischen Unterbrechers 23 zu betätigen und damit eine Lampe 24 zum Aufleuchten zu bringen.
Eine in F1 g. 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung beruht auf der Auswertung von Strömungsmitteldrucksignalen. Hier ist die Signalverarbei· tupgsemnchtung 22 als eine pneumatische Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet, die einen beweglichen Teil, beispielsweise eine Membran 30 aufweist, die in der Figur nach unten durch eine Tarierkraft beansprucht ist, die von einer beispielsweise in Form einer Zugfeder 31 ausgebildeten Tariereinrichtung ausgeht. Die Membran 30 trennt zwei Kammern voneinander, nämlich eine erste Kammer 3Z die unter dem Druck P, steht (oder mit einem Strömiiigsmitteldrucksignal beansprucht ist. das eine Funktrm des Drucks P, darstellt), und eine zweite Kammer 33. die unter dem Druck P, steht (oder einem Strömungsmitteldrucksignal ausgesetzt ist, dasjss eine Funktion des Druckes Py ist). Die Membran 30 ist mit einer Platte 34 fest verbünden, die mit dem Betätigungsstößel des Schalters in Form eines elektrischen Unterbrechers 35 zusammenwirkt, der im Speisekreis der Lampe 24 angeordnet ist Die bewegliche Membran 30 wird demnach in einer Richtung durch eine Druckkraft beansprucht, die eine Funktion des Drucks Prist, und im anderen Sinne durch eine Druckkraft, die eine Funktion des Drucks P, ist. Überdies wirkt in dieser Richtung noch die von der Zugfeder 31 gelieferte Tarierkrafl. Dies»; Tarierkraft definiert den einem Bezugsdruck PKr entsprechenden Bezugsschwellwert.
Bei »Trockenschub«-Betrieb gilt (P,-Py)<Pnr. Daraus folgt Px< Py+ Pttt. Die Membran 30 verlagert sich damit in der Figur nach unten. Die Lampe 24 bleibt dunkel.
Im Nachbrennerbetrieb gilt (Px- Py)> Pret, woraus sich ableiten läßt Ρ,·> Pt + Prrr. Die Memran 30 verlagert sich in der Figur nach oben, und zwar gegen die Wirkung der oben erläuterten Tarierkrafl Sie betätigt dabei den elektrischen Unterbrecher 35. Die Lampe 24 leuchtet auf. Die Verlagerung der Membran nach oben stellt demnach ein Ausgangssignal dar. das ein Kennzeichen für den Betrieb mit Nachbrenner ist.
Ein einstellbarer Anschlag 36 erlaubt es. die
TtTicigCfung uiC ΐτΐ£ΓΠι/"ΞΠ 30 tfaCri GuCu gCrSuC auf ucn
Wert zu begrenzen, der für die Betätigung des Unterbrechers 35 erforderlich ist. und so die Membran vor Beschädigungen zu schützen.
In Fig. 3 ist eine Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 2 dargestellt, bei der der bewegliche Teil aus einer Kapsel oder einem Faltenbelag 40 besteht, dessen innerem der Druck Px oder ein eine Funktion des Drucks Px darstellendes Drucksignal zugeführt wird und auf dej.cn Äußeres der Druck Pv oder ein eine Funktion des Drucks Py darstellendes Drucksignal einwirkt. Der Faltenbelag ist im Sinne des Zusammendrückens dieses Faltenbalgs durch die Tarierk.-aft beansprucht, die beispielsweise durch eine Zugfeder 41 geliefert wird, die in den Faltenbalg eingebaut ist. An seinem freien Ende trägt der Faltenbalg 40 einen Finger 42, der mit dem elektrischen Unterbrecher 35 zusammenwirkt.
Beim »Trockenschub«-Betrieb wird der Faltenbalg 40 zusammengedrückt, die Lampe 24 bleibt dunkel.
Beim Nachbrennerbetrieb bläst sich der Faltenbalg 40 gegen die Wirkung der Zugfeder 41 auf und betätigt den Unterbrecher 35. Die Lampe leuchtet auf.
In Fig.4 ist eine weitere Abwandlung der Ausführungsformen von F i g. 2 und 3 dargestellt. Hier besteht der bewegliche Teil aus einem Schieber 50. auf dessen eine Endfläche der Druck Px oder ein eine Funktion des Drucks Px darstellendes Drucksignal und auf dessen andere Endfläche der Druck P, oder eine Funktion des Drucks P, darstellendes Signal einwirkt Der Schieber 50 ist überdies der in der Figur nach oben gerichteten Wirkung der Tarierkraft unterworfen, die beispielsweise von einer Druckfeder 51 herrührt Der Schieber 50 wirkt über einen angelenkten Hebel 52 m.* dem Unterbrecher 35 zusammen.
Im »Trockenschube-Betrieb wird der Schieber 50 in der Figur nach oben gehoben.= Die Lampe- 24 bleibt dunkeL
Im Nachbrennerbetrieb verlagert sich der Schieber 5Ö in der Figur nach unten gegen die Wirkung der Druckfeder 5i und betätigt den Unterbrecher 35. Die Lampe 24 leuchtet auf.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Vorrichtung zum Feststellen des Betriebszustandes des Nachbrenners in einem Turbostrahltriebwerk, in dem die Turbine und die einen Düsenhals minimalen Querschnitts aufweisende Schubdüse durch einen mit einem Nachbrenner ausgerüsteten Nachbrennerkanal zur Nachaufheizung des Strömungsmittels verbunden sind, mit entlang des Strömungsweges verteilten Druckfühlern, mit einem ersten Signalgenerator, dessen Eingangssignal einem Druck im Nachbrennerkanal in Strömungsrichtung vor dem Flammenhalter entspricht, mit einem zweiten Signalgenerator, dessen Eingangssignal einem Druck im Nachbrennerkanal in Strömungsrichtung nach dem Flammenhalter entspricht, und einer als Differenzwertbildner ausgebildeten Signalverarbeitungseinrichtung, deren Eingangssignale die Ausgangssignale der beiden Signalgeneratoren sind und die einen Schalter betätigt, der bei Betrieb des Nachbrennen ein Ausgangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (22) mittels einer Tariereinrichtung (31; 41; 51) auf einen vorgegebenen Bezugsschwellwert für den Differenzwert so einstellbar ist, daß der bewegliche Teil (30; 40; 50) der Signalverarbeitungseinrichtung (22) sich im Fall des Nachbrennerbetriebs entgegen der Wirkung der Tarierkraft bewegt und bei Überschreiten des Bezugsschwellwertes den Schalter (35) betätigt, dessen Ausgangssignal einer Anzeigevorrichtung (23, 24) zugeführt i„t, und wobei der Druckfühler des zweiten Signalgenerators (2!,) im D \senhals (10) angeordnet ist.
    Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Feststellen des Betriebszustandes des Nachbrenners in einem Turbostrahltriebwerk, in dem die Turbine und die einen Düsenhals minimalen Querschnitts aufweisende Schubdüse durch einen mit einem Nachbrenner ausgerüsteten Nachbrennerkanal zur Nachaufheizung des Strömungsmittels verbunden sind, mit entlang des Strömungsweges verteilten Druckfühlern, mit einem ersten Signalgenerator, dessen Eingangssignal einem Druck im Nachbrennerkanal in Strömungsrichtung vor dem Flammenhalter entspricht, mit einem zweiten Signalgenerator, dessen Eingangssignal einem Druck im Nachbrennerkanal in Strömungsrichtung nach dem Flammenhalter entspricht, und einer als Differenzwertbildner ausgebildeten Signalverarbeitungseinrichtung, deren Fingangssignale die Ausgangssignale der beiden Signalgeneratoren sind und die einen Schalter betätigt, dir hei Betrieb des Nachbrenners ein Ausgangssignal erzeugt.
    Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art (US-PS 26 77 233) dient das bei Betrieb des Nachbrenners erzeugte Ausgangssignal dazu, den Querschnitt des Düsenhalses von dessen minimalem Wert auf einen für den Betrieb des Nächbrenners geeigneten Wert zu steuern; Wegen der bei dieser Betriebsart in Abhängigkeit von sich verändernden Betriebsparameiern des Strahltriebwerkes, wie Flüggeschwindigkeit, Flughöhe oder" Tüfbineridfehzähl auftretenden Druckänderüngen sind jedoch bei der bekannten Vorrichtung die Ausgangssignale der beiden Signalgeneratoren für eine zuverlässige Feststellung des, Betriebszustandes des Nachbrenners nicht ausreichend. Es ist daher in Strömungsrichtung nach der Turbine unc, vor dem Nachbrennerkanal ein weiterer Druckfühler vorgesehen, wobei in der Signalverarbeitungseinrichtung sowohl der Differenzwert der Ausgangssignale der beiden Signalgeneratoren als auch der Differenzwert zwischen dem dem weiteren Druckfühler zugeordneten ίο Ausgangssignal und dem Ausgangssignai des zweiten Signalgenerators gebildet wird. Durch eine Quotientenbildung zwischen diesen beiden Differenzwerten sollen die unerwünschten Druckschwankungen, die die Feststellung des Betriebszustandes des Nachbrenneis stören, ausgeschaltet werden. Diese bekannte Vorrichtung wird jedoch für eine zuverlässige Anzeige des Betriebszustandes als unzureichend erachtet, wobei es sich in diesem Zusammenhang auch als nachteilhaft erweist, daß bei dieser bekannten Vorrichtung der mit dem zweiten Signalgenerator gekoppelte Druckfühler in Strömungsrichtung weit vor dem Düsenhals angeordnet ist.
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art unter Vermeidung der vorerwähnten Nachteile derart auszubilden, daß dem Piloten des mit dem Turbostrahltriebwerk ausgerüsteten Flugzeugs zuverlässig der Betriebszustand des Nachbrenners angezeigt werden kann, wofür auch eine solche Anordnung der Meßpunkte im Strömungskanal zu wählen ist, daß die Funktion des Nachbrenners am jeweiligen Punkt der Druckfühleranordnung eine maximale Auswirkung hat.
    Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Signalverarbeitungseinrichtung mittels einer Tariereinrichtung auf einen vorgegebenen Bezugsschwellwert für den Differenzwert so einstellbar ist, daß der bewegliche Teil der Signalverarbeitungseinrichtung sich im Fall des Nachbrennerbetriebs entgegen der Wirkung der Tarierkraft bewegt und bei Oberschreiten des Bezugsschwellwertes der. Schalter betätigt, dessen Ausgangssignal einer Anztigevoirichtung zugeführt ist, und wobei der Druckfühler des zweiten Signalgenerators im Düsenhals angeordnet ist.
    Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine völlig zuverlässige Anzeige des Betriebszustandes des Nachbrenners mit nur zwei entlang des Strömungsweges verteilten Druckfühlern, weil in Übereinstimmung mit für verschiedene Werte der Turbinendrehzahl, Machzahl, Flughöhe und der dem Nachbrennerkanal zugeführten Brennstoffmenge durchgeführten Versuchen der von diesen Druckfühlern hergeleitete Differenzwert beim Nachbrennerbetrieb stets eindeutig über dem Bezugsschwellwert liegt, wogegen er im Trockenschub, das heißt bei außer Betrieb befindlichem Nachbrenner, eindeutig unterhalb dieses Bezugsschwellwertes liegt. Dabei kommen als Eingangssignale des ersten und zweiten Signalgenerators sowohl der statische als auch der Gesamtdruck an den entsprechenden Stellen des Nacbbrennerkanals in Betracht. Ferner können die Eingangssignale für die Signalverarbeitungseinrichtung sowohl in der Form von Strömungsmitteldrucksignalen als auch von elektrischen Signalen Vorliegen.
    Ein Weiterer Vorteil der erfihdurigsgemäßen Lösung
    besteht darin, daß das abgegebene Ausgangssignai ein permanentes Signa! ist, das während der gesamten
    Betriebsdauer des Nachbrenner abgegeben wird.
    Schließlich ist es in baulicher Hinsicht vorteilhaft, daß
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