DE2555550A1

DE2555550A1 - Verfahren und vorrichtung zum abfuehlen des beginns eines pump- oder stroemungsabrisszustandes in einem turbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2555550A1
Application number: DE19752555550
Authority: DE
Inventors: Ronald John Miller; Thomas Madison Randolph
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1975-12-10
Publication date: 1976-06-16
Also published as: NL7514478A; SE7513981L; BE836477A; FR2294329A1; DK562475A; NO754197L; US3935558A; IT1054671B; FR2294329B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abfühlen des Beginns eines Pump- oder Strömungsabrißzustandes in einem Turbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf Turbinentriebwerke und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abfühlen, wann das Triebwerk in der Nähe eines Pumpoder Strömungsabrißzustandes arbeitet. Gemäß der Erfindung wird außerhalb des Leerlaufes das Bevorstehen eines Strömungsabrisses und eines Pumpens in dem Gebläse (Fan) oder in dem Verdichterteil des Triebwerkes abgefühlt, bevor ein vollständiges Abreißen der Luftströmung im Triebwerk erfolgt. Durch Voraussehen oder Abfühlen des Beginns des Pumpens kann eine Änderung der Stellgröße vorgenommen werden, um den tatsächlichen Strömungsabriß- oder Pumpzustand zu vermeiden, wodurch die Triebwerkslebensdauer verlängert, eine starke Ver-

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schlechterung der Triebwerksleistung verhindert und der Betriebssicherheitsbereich von mit Turbinentriebwerken ausgerüsteten Flugzeugen verbessert wird. Aus— serdem kann eine höhere Leistungsfähigkeit von einem Triebwerk erhalten werden, welches wegen des Schutzes, den das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung bieten, mit einem minimalen Spielraum für das Pumpen betrieben werden kann.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können außerdem vorteilhaft bei nicht in Flugzeugen oder im Flug befindlichen Turbinentriebwerken und/oder bei Gebläse- und Verdichtereinstelltests angewendet werden, während welchen absichtliche Pumpvorgänge hervorgerufen werden müssen, um die Pumplinie zu bestimmen und festzulegen. Durch Kennzeichnen des Punktes, an welchem das Pumpen bevorsteht, noch dazu durch das Vermeiden der mechanischen und/oder aerodynamischen Belastung, die durch den Pumpzustand hervorgerufen wird, können viel mehr Daten und eine größere Gerätelebensdauer erhalten werden.

Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber der Pumpnähe-Anzeigeeinrichtung für Turbinentriebwerke, die in der US-Patentanmeldung _f SN 400 307, "Near Surge Indicator for Turbine Engines" vom 24. September 1973 bereits vorgeschlagen ist. Bei dem älteren Vorschlag sind zwei druckempfindliche Wandler mit Drucksonden verbunden, die in einem Triebwerksströmungskanal, wie beispielsweise dem Gebläseauslaß kanal eines Bypass- oder Mantelstromtriebwerkes, angeordnet sind. Einer der Druckgeber hat eine hohe Ansprechempfindlichkeit und spricht auf einen Frequenzbereich von etwa 0 bis 1000 Hz an. Das Ausgangssignal dieses Druckgebers mit hoher Ansprechempfindlichkeit wird durch ein Band-

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paßfliter hindurchgeleitet, vim die interessierenden Frequenzen, ungefähr 10 bis 250 Hz, zu isolieren und um die Druckschwankungsfrequenzen außerhalb dieses Bereiches zu dämpfen. Der andere Druckgeber hat eine niedrige Ansprechempfindlichkeit und spricht nur auf niedrige Druckfrequenzen an. Das Ausgangssignal des Druckgebers mit der niedrigen Ansprechempfindlichkeit wird durch ein Tiefpaßfilter hindurchgeleitet, um sämtliche Frequenzen oberhalb von etwa 1/4 Hz zu dämpfen und um nur niedrige Frequenzen durch diesen hindurchzulassen, die dem stationären absoluten Druckwert äquivalent sind. Das Verhältnis der Amplituden der Hochfrequenzdruckschwankungen zu dem stationären Signal wird in einem Verhältnisrechner elektronisch berechnet und dieses Verhältnis wird ständig mit einem vorbestimmten Bezugsverhältnis in einer Komparatorschaltung verglichen. Wenn das berechnete Verhältnis größer ist als das Bezugsverhältnis, wird das Bevorstehen oder das Vorhandensein eines Pumpzustandes gemeldet und es kann eine Änderung der Stellgröße vorgenommen oder ein Warnsignal erzeugt werden.

Der tatsächliche Beginn des Pumpens kann gemäß dem älteren Vorschlag ebenfalls abgefühlt werden, indem durch den Druckgeber mit der hohen Ansprechempfindlichkeit Frequenzen in dem Bereich von 10 Hz bis 90 Hz hindurchgeleitet und das· vorbestimmte Verhältnis entsprechend modifiziert wird«

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung des älteren Vorschlags dar und benutzt dasselbe Grundprinzip, daß nämlich außerhalb des Leerlaufes dem Strömungsabriß und dem Gebläsepumpen eine Zunahme von Druckschwankungen hoher Frequenz in dem Luftstrom hinter dem Gebläse vorausgeht. Bei dem älteren Vorschlag zeigen die Druckschwankungen hoher Frequenz eine unterscheidende

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Kennung, die dazu benutzt werden kann, vor einem beginnenden Pumpen zu warnen und automatisch Pumpverhütungsmaßnahmen einzuleiten.

Bei den heutigen Turbinentrxebwerken liegen die Druckwerte, die abgefühlt werden müssen, in einem Bereich

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von 0,2 kp/cm bis 7 kp/cm (3 bis 100 psi). Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung bester Ergebnisse mit der Pumpnähe-Anzeigeeinrichtung gemäß dem älteren Vor-

schlag der nützliche Signalbereich von 0,2 kp/cm bis

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1,4 kp/cm geht. Typische Druckfühler, die gegenwärtig verfügbar sind, haben eine Genauigkeit von plus oder minus zwei Prozent des vollen Skalenbereiches, so daß sogar bei den höchsten Drücken, die in dem Triebwerk auftreten, der Druck nur bis zu einer Genauigkeit von

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plus oder minus 0,14 kp/cm abgefühlt werden kann. In sehr großen Höhen kann der Druck einen niedrigen Wert

2 haben, beispielsweise 0,2 kp/cm , und in diesem Fall ist die Genauigkeit des Ausgangssignals der Druckfühler relativ gering. Außerdem erfordert die Vorrichtung gemäß dem älteren Vorschlag die Berechnung eines Verhältnisses der Amplituden der Druckschwankungen hoher Frequenz zu dem stationären Druck und die Genauigkeit dieser Verhältnisberechnung wird bei niedrigen Drücken stark verringert.

Die Erfindung überwindet die Beschränkungen des älteren Vorschlags, indem die Signalverhältnisberechnung beseitigt und an ihrer Stelle ein Triggerwert als eine Funktion des stationären Druckes erzeugt wird. Die Druckschwankungen hoher Frequenz werden mit dem Triggerwert verglichen und Druckschwankungen hoher Frequenz, welche den Triggerwert überschreiten, zeigen das Bevorstehen eines Strömungsabrisses oder Gebläsepumpens außerhalb des Leerlaufs an. Diese Verbesserung gestattet

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einen zuverlässigeren Betrieb bei niedrigen Druckwerten, die in großer Höhe und unter Teillastbedingungen auftreten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Druckmeßwertwandler mit Drucksonden verbunden, die in einem Strömungskanal eines Bypass-Triebwerks stromabwärts des Gebläses angeordnet sind und auf Druckschwankungen ansprechen, die in dem Luftstrom auftreten. Ein Wandler hat eine hohe Ansprechempfindlichkeit und sein Ausgangssignal wird durch ein Bandpaßfilter hindurchgeleitet, um die interessierenden hohen Frequenzen zu isolieren. Der andere Wandler hat eine niedrige Ansprechempfindlichkeit und sein Ausgangssignal wird durch ein Tiefpaßfilter hindurchgeleitet, um einen stationären Druckwert zu schaffen. Der stationäre Druckwert wird benutzt, um einen Triggerwert festzulegen, der dann mit dem Hochfrequenzsignal verglichen wird, das in dem Bandpaßfilter erzeugt wird. Wenn die Amplitude des Hochfrequenzdrucksignals größer ist als der Triggerwert, nähert sich das Triebwerk einem Pump- oder Strömungsabrißzustand und es kann ein Warnsignal erzeugt werden, welches als ein Alarmsignal dienen oder zur Änderung der Stellgröße benutzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher, beschrieben. Es. zeigen:

Fig.. 1 ein Schema eines Bypass-Triebwerks, welches die Anordnung der druckempfindlichen Wandler und ihre Verbindung mit der verbesserten Pumpnähe-Anzeigeeinrichtung zeigt, und

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Fig. 2 ein Diagramm des in Fig. 1 erzeugten Triggerwertes als eine Funktion des stationären Druckes.

Fig. 1 zeigt in schematischer Form einen Teil eines typischen Bypass-Triebwerkes 10 mit axialer Strömung. In Bypass-Triebwerken wird Luft durch den Triebwerkseinlaß hindurch in die Fan- oder Gebläsestufe 12 geleitet, in welcher die Luft mittels rotierender Gebläseschaufeln und feststehender Leitschaufeln verdichtet wird. Es kann mehr als eine Gebläsestufe 12 vorgesehen sein. Ein Teil der Gebläseluft wird dann in einen mehrstufigen Verdichter 14 geleitet, in welchem eine weitere Verdichtung der Luft erfolgt. Diese Luft wird verbrannt und durch Turbinen hindurchgeleitet, welche die Gebläse- und Verdichterstufen antreiben, und schließlich wird die Luft durch eine Düse hindurchgeleitet, so daß das Triebwerk einen Vortrieb erzeugt. Ein weiterer Teil der verdichteten Gebläseluft wird in einen Bypass- oder Nebenstromkanal 16 geleitet, um einen zusätzlichen Triebwerksschub zu erzeugen. Die Gebläseluft wird getrennt ausgestoßen oder wieder mit dem Hauptluftstrom vermischt und dann durch die Düse ausgestoßen.

Zwei druckempfindliche Wandler sind mit Drucksonden verbunden, die so angeordnet sind, daß sie den Druck in dem Gebläseauslaßkanal messen und sowohl auf Änderungen der Amplitude als auch der Frequenz des Druckes der Luft ansprechen, welche durch die Gebläsestufe 12 hindurchgeht. In Fig. 1 sind die Druckgeber als Drucksonden 18 und 20 dargestellt, die über Pneumatikleitungen 22 bzw. 24 mit Blöcken 26 und 28 verbunden sind, welche mit "Druckfühler mit niedriger Ansprechempfindlichkeit¹¹ bzw. mit "Druckfühler mit hoher Ansprechempfindlichkeit" bezeichnet sind. Die Drucksonden 18 und 20 sind zwar

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gemäß der schematischen Darstellung in dem Gebläsenebenstromkanal 16 angeordnet, sie können jedoch an jeder geeigneten Stelle auf dem Gebläseauslaßweg angeordnet sein. Die Anordnung der Drucksonden zwischen den Gebläse- und Verdichterstufen wird als Station 2,5 bezeichnet und das an diesem Punkt erzeugte Drucksignal wird mit P~ _κ bezeichnet.

Der Druckgeber, der als Sonde 20 und Fühler 28 dargestellt ist, ist vorzugsweise ein Druckgeber mit hoher Ansprechempfindlichkeit, welcher auf einen Bereich von Druckfrequenzen von etwa 0 Hz bis 1000 Hz und zumindest von 0 Hz bis 100 Hz anspricht. Der Druckgeber, der als Sonde 18 und Fühler 26 dargestellt ist, ist ein Druckgeber mit niedriger Ansprechempfindlichkeit, welcher auf niedrige Druckfrequenzen, beispielsweise auf Frequenzen unter 10 Hz anspricht. Es ist zu erkennen, daß zwei Druckgeber 26 und 28 zu einem einzigen Druckgeber zusammengefaßt werden können, welcher die gewünschte Ansprechempfindlichkeit über den gesamten interessierenden Frequenzbereich hat, wobei die ausgewählten Frequenzen von Filtern geliefert werden.

Das Signal aus dem Druckfühler mit hoher Ansprechempfindlichkeit, der als Block 28 dargestellt ist, wird durch einen nicht dargestellten Signalbehandlungsverstärker in ein Bandpaßfilter 30 geleitet, welches nur die interessierenden Druckfrequenzen durchläßt, die ungefähr zwischen 10 Hz und 250 Hz liegen, und zwar in Abhängigkeit von den genauen aerodynamischen Kenndaten des Gebläses. Die Druckfrequenzen außerhalb des interessierenden Bereiches werden gedämpft. Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 30, das mit ΔΡ bezeichnet ist, wird in einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 32 eingegeben, welcher das Wechselstromausgangs· signal aus dem Druckfühler 28 in ein Gleichstromsignal

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zur anschließenden Verwendung umwandelt. Das Gleichstromausgangssignal des Wandlers 32, welches zu der Amplitude der Drucksignale in dem von dem Filter 30 durchgelassenen Frequenzbereich proportional ist/ wird dann durch einen nicht dargestellten Verstärkungsnormalisierungsverstärker hindurchgeleitet und als eines der beiden Eingangssignale in einen Komparator 34 eingegeben.

Das Ausgangssignal aus dem Druckfühler mit niedriger Ansprechempfindlichkeit, der als Block 26 dargestellt ist, wird ebenfalls durch einen nicht dargestellten Verstärker in ein Tiefpaßfilter 36 eingegeben, welches auch ein Restausgleichselement enthalten kann. Das Tiefpaßfilter beseitigt alle Frequenzen oberhalb von beispielsweise 1 Hz und vorzugsweise oberhalb von 1/4 Hz. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 36 ist im wesentlichen ein Gleichstromsignal und hat eine Amplitude, die zu dem Absolutwert des stationären Druckes in dem Gebläseauslaßkanal proportional ist. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 36 wird dann durch einen nicht dargestellten Verstärkungsnormalisierungsverstärker hindurchgeleitet und anschließend in einen Funktionsgenerator 38 eingegeben, in welchem ein Bezugstriggerwertsignal ΔΡ_Τ als eine Funktion des absoluten stationären Druckes P_{0 c} erzeugt wird.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Änderung des Triggerwertes ΔΡ_Τ in Abhängigkeit von dem Absolutwert des stationären Druckes P₀ „. Der Triggerwert wird so geformt, daß Ungenauigkeiten beseitigt werden, welche sich bei dem Betrieb der Pumpnähe-Anzeigeeinrichtung in großen Höhen und unter Teillastbedingungen ergeben. Bei den

niedrigen Drücken, d.h. unter 0,35 kp/cm ist der Trig-

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gerwert AP„ eine Konstante, welche das Erfassen von Druckschwankungen hoher Frequenz gestattet, ohne durch die üngenauigkeit des Niederfrequenzdruckfühlers beeinflußt zu werden. In dem mittleren Bereich, d.h. zwi-

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sehen ungefähr 0,35 kp/cm und 1_f4 kp/cm wird ΔΡ_Τ gleich einer Konstanten mal P₀ j. gesetzt, welche gestattet, ein Äquivalent AP_m/P_o c zu schaffen. Gemäß Fig. 2 beträgt die Konstante, die als Beispiel gezeigt ist, O,4.

In den hohen Druckbereichen, typischerweise oberhalb

von 1,4 kp/cm , in welchen die Druckwerte im allgemeinen über denjenigen liegen, die für die Pumpnähe-Anzeigeeinrichtung von Interesse sind, aber innerhalb der Grenzen, die durch die Druckgeber toleriert werden müssen, wird ΔΡ_Τ auf einen hohen Wert angehoben, um eine ungewollte Erfassung von Störungen zu vermeiden, beispielsweise von Druckspitzen, die durch Schuberhöhungsvorrichtungen, wie sie typischerweise in Bypass-Triebwerken benutzt werden, erzeugt werden.

Die gerätemäßige Ausführung der in Fig.2 innerhalb des Blockes 38 dargestellten Kurve kann durch bekannte verfügbare elektronische Schaltungen erfolgen.

Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 38, d.h. das Signal ΔΡ™ wird dann als ein zweites Eingangssignal dem Komparator 34 zugeführt. Der Komparator 34 vergleicht das Hochfrequenzsignal ΔΡ mit dem Triggerwertsignal ΔΡ_Τ und, wenn das Hochfrequenzsignal ΔΡ den Triggerwert Δ Ρ™ übersteigt, erzeugt der Komparator 34 ein Ausgangssignal. Das Ausgangssignal kann einer Triebwerkssteuervorrichtung zugeführt werden, welche eine Änderung des Stellwertes verlangt, um das Pumpen zu verhindern oder zu mindern, oder das Signal kann zum Auslösen eines Alarms

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benutzt werden. Die Stellgrößenänderung könnte das Aufmachen von Öffnungen in dem Triebwerk, das Öffnen der Gasgenerator- und/oder der Gebläse-Nebenstromdüsen, das Verringern der Kraftstoffzufuhr oder das Zurückstellen von einstellbaren Gebläse- und/oder Verdichterleiträdern beinhalten. Der Alarm könnte ein Lichtzeichen oder ein Summton sein oder aber eine Markierung, welche das Rückstellen einer Steuervorrichtung anzeigt.

Der Vorteil der Verwendung des Triggerwertes im Gegensatz zu der Verhältnisberechnung besteht darin, daß ein Betrieb bei niedrigen Druckwerten möglich ist, bei welchen Druckfühler besonders ungenau sind. Der Betrieb kann außerdem oberhalb derjenigen Druckwerte gesperrt werden, die über dem interessierenden Bereich liegen. Die Schaltungsausführung ist einfacher als bei der Verhältnisberechnung und außerdem rauschärmer, was eine bessere Genauigkeit ergibt.

Mit Hilfe der Erfindung kann das Pumpen in einem Turboluftstrahltriebwerk in einem Zeitpunkt vorausgesehen werden, der viel früher liegt als bei bekannten Anordnungen. Durch Messen der aerodynamischen Kenndaten des Triebwerkes in dem Gebläseauslaßteil ist eine größere Realzeitwarnung verfügbar, bevor das Pumpen in dem Triebwerk tatsächlich auftritt, wodurch mehr Zeit zur Verfügung steht, um die Änderung der Stellgröße zur Vermeidung des Pumpens vorzunehmen.

Die Erfindung ist zwar in ihrer bevorzugten Ausführungsform für die Verwendung in dem Gebläseauslaßströmungsweg eines Bypass-Triebwerkes beschrieben worden, es ist jedoch zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Lehre bei einem Turboluftstrahltriebwerk oder bei der Verdichter-

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stufe eines Turbinentriebwerkes, bei welchem die Drucksonden in dem Verdichterauslaßströmungsweg angeordnet würden, anwendbar ist. Die Form des Triggersignals würde entsprechend geändert und der Frequenzbereich des Bandpaßfilters würde so eingestellt werden, daß es nur diejenigen Frequenzen durchläßt, die als repräsentativ für die speziellen aerodynamischen Kenndaten des Triebwerkes festgelegt sind.

Die Erfindung ist zwar in bezug auf elektronische Schaltungen beschrieben worden, es versteht sich jedoch, daß auch mechanische Bauteile, Fluidik-Bauteile oder andere Bauteile verwendet werden können und daß im Rahmen der Erfindung in der Kombination und Anordnung der Pumpanzeigeeinrichtung und ihres Betriebsverfahrens weitere Änderungen vorgenommen werden können.

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Claims

Patentansprüche :

1. Anzeigeeinrichtung für ein Turbinentriebwerk, gekennzeichnet durch eine Druckabfühleinrichtung, die in einem Strömungskanal des Triebwerkes angeordnet ist und Signale erzeugt, welche eine Funktion der Gasdruckschwankungen darin sind/ durch ein Bandpaßfilter, welches so angeschlossen ist, daß es die Signale empfängt, und welches nur die für das Pumpen des Triebwerks charakteristischen Signalkomponenten hoher Frequenz durchläßt, durch ein Tiefpaßfilter, welches ebenfalls so angeschlossen ist, daß es die Signale empfängt und welches nur die den stationären Druck anzeigenden Signalkomponenten niedriger Frequenz durchläßt, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Triggersignals aus den Signalkomponenten niedriger Frequenz, und durch einen Komparator zum Vergleichen der Signalkomponenten hoher Frequenz mit dem Triggersignal und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn die Amplitude der Signalkomponenten hoher Frequenz die Amplituden des Triggersignals überschreitet.

2. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabfühleinrichtung einen ersten Druckgeber mit hoher Ansprechempfindlichkeit und einen zweiten Druckgeber mit niedriger Ansprechempfindlichkeit enthält.

3. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den ersten Druckgeber erzeugten Signale dem Bandpaßfilter zugeführt werden und daß die durch den zweiten Druckgeber erzeugten Signale dem Tiefpaßfilter zugeführt werden.

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4. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter so abgestimmt ist, daß es Signalkomponenten in dem ungefähren Bereich von 10 Hz bis 250 Hz durchläßt.

5. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalkomponenten niedriger Frequenz, die von dem Tiefpaßfilter durchgelassen werden, unterhalb etwa 1 Hz liegen.

6. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabfühleinrichtung in dem Gebläseluftstromkanal eines Bypass-Triebwerkes angeordnet ist.

7. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Triggersignals ein Funktionsgenerator ist.

8. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator ein Triggersignal erzeugt, welches bei niedrigen Amplituden der Signalkomponenten niedriger Frequenz konstant ist, welches mit Zwischenamplituden der Signalkomponenten niedriger Frequenz linear ansteigt und welches bei hohen Amplituden der Signalkomponenten niedriger Frequenz einen hohen konstanten Wert hat.

9. Verfahren zum Feststellen des BevorStehens des Pumpens in einem Turboluftstrahltriebwerk, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Erzeugen von Signalen, welche die Gasdruckschwingungen anzeigen, die in einem Strömungskanal des Triebwerkes auftreten.

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Modifizieren der Gasdruckschwingungssignale, indem aus ihnen die Frequenzkomponenten entfernt werden, die für das bevorstehende Pumpen in dem Triebwerk nicht charakteristisch sind.

Bilden eines stationären Drucksignals aus den Gasdruckschwingungssignalen,

Erzeugen eines Triggersignals aus dem stationären Drucksignal, und

Vergleichen des Triggersignals mit den modifizierten Gasdruckschwingungssignalen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt:

Erzeugen eines Ausgangssignals, welches das Bevorstehen des Pumpens in dem Triebwerk anzeigt, wenn die modifizierten Gasdruckschwingungssignale das Triggersignal überschreiten.

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