DE2623945A1 - Verfahren und vorrichtung zum beeinflussen des beschleunigungsplans in abhaengigkeit von einer kompressorabzapfung - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Beeinflussen des
Beschleunigungsplans in Abhängigkeit von einer Kompressorabzapfung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Modifizieren des Beschleunigungsplans in Abhängigkeit von gewissen
Triebwerksbetriebsparauietern.

Bei der Regelung des Betriebes eines Strahltriebwerks ist es üblich, die Menge des Rutorbüschleunigungstreibstoffs zu begrenzen, um die Möglichkeit eines Komprossorströmungsabrisses zu eliminieren. Dies erfolgt im allgemeinen durch Aufrechterhalten eines Beschleunigungstreibstoffplans bzw. -Schemas bzw. -programms mit
Gliedern, die die Faktoren erfassen, welche die Fähigkeit des Kompressors bestimmen, ein Strömungsabrißfreies Kompressionsverhältnis aufrechtzuerhalten, und die entsprechend den Treibstoffdurchsatz bzw. den Brennstoffluß begrenzen. Dieser Beschleunigungstreibstoff plan, der eine übermäßige Beschleunigung bzw. Drehzahlheraufsetzung verhindert, welche zu einem Triebwerksströmungsabriß oder einer übermäßigen Temperatur führen würde, muß es zusätzlich ermöglichen, daß das Triebwerk vorbestimmten Beschleunigungszeiten genügt, und deshalb erfolgt eine möglichst große Er-

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höhung bzw. Anhebung desselben, ohne daß Sicherheitsgrenzen überschritten werden.

Beim Aufrechterhalten eines Anlauf- bzw. Beschleunigungstreibstoff plans hat ein Parameter eine weite Anerkennung gefunden, der das Verhältnis des Treibstoffdurchsatzes bzw. Brennstofflusses (WFM) zum Kompressorauslaß- bzw. -enddruck (CDP) beinhaltet. Dieser Parameter ist sehr gut im Zusammenhang mit den meisten Turbostrahltriebwerkanwendungen und denjenigen Turbogebläseanwendungen, bei denen beträchtliche Größen einer Kompressorabzapfung sowie Leistungsentnahme erforderlich sind und bei denen die Flugkurve höhenmäßig irgendwie beschränkt ist. Wenn jedoch ein Triebwerk mit großen Abzapfmengen (entweder einer Kompressorauslaßabzapfung oder einer Kompressorzwischenstufenabzapfungj arbeiten muß, dann ermöglicht der WFM/CDP Beschleunigungsplan, der entsprechend den Standardkriterien gestaltet ist, nicht die erwünschte Größe der Wellenleistungsentnahme oder das Erreichen der erforderlichen Beschleunigungszeit während gewisser Flugbedingungen. Bei gewissen Kombinationen der Kompressorabzapfung und der Wellenleistungsentnahme neigt das Triebwerk in der Tat zum Hängenbleiben und zur Beschleunigungsunfähigkeit, oder es kann die Triebwerksdrehzahl sinken, wenn die Kompressorabzapfung und die Wellenleistungsentnahme vergrößert werden.

Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um die Fähigkeiten bezüglich einer höheren Leistungsentnahme und einer verminderten Beschleunigungszeit zu verbessern. Der Zyklus kann so ausgelegt werden, daß die Kompressorbetriebslinie abgesenkt wird, oder dei^ Kompressor kann für eine höhere Strömungsabrißlinie und damit für einen höheren Beschleunigungsplan konzipiert werden, doch führt dieses zu einer ungünstigen Beeinflussung der gesamten Leistungsfähigkeit. Entsprechend einer anderen Lösung kann der Beschleunigungsplan auf einen höheren Kompressorabzapfungspegel ausgelegt sein, womit ein Verlust an Strömungsabrißspielraum verbunden ist, wenn der Abzapfungspegel klein ist, doch führt dieses während Perioden einer niedrigen Abzapfung zu einem unannehmbaren Übergangsverlust bezüglich des Strömungsabrißspielraums. Entsprechend einem

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weiteren Verfahren kann der Beschleunigungsplan auf einen höheren Kompressorabzapfungspegel mit einer konstanten Abzapfung ausgelegt werden, die entweder ausgenutzt oder nach außen abgeleitet wird, doch führt dieses Ableiten unerwünschter Luft zu einer sehr ungünstigen Beeinflussung der Leistungsfähigkeit.

Es ist bekannt, daß eine Kompressorabzapfung zu einer Vergrößerung des Strömungsabrißspielraums des Kompressors führt. Da jedoch das Triebwerk so gestaltet sein muß, daß es auch während Perioden eines minimalen StrömungsabrißSpielraums sicher arbeitet, wird der Beschleunigungsplan im allgemeinen entsprechend einem abzapffreien Zustand ausgewählt. Da das Abzapfen von .Kompressorluft zu einer Vergrößerung bezüglich des Strömungsabrißspielraums führt, hat ein unter einer solchen Abzapfungsbedingung arbeitendes Triebwerk einen Strömungsabriß- bzw. Sicherheitsspielraum, der auch während Beschleunigungsperioden größer ist, als es für einen sicheren Betrieb erforderlich ist.

Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Treibstoffregelungseinrichtung für ein Triebwerk, das in großen Höhen gleichzeitig mit einer großen Wellenleistungsentnahme und Kompressorabzapfung arbeiten kann. Es soll ein Beschleunigungsplan geschaffen werden, der den Erfordernissen einer vorbestimmten Wellenleistungsentnahme und Beschleunigungszeit bei variablen Flugüedingungen genügt. Außerdem soll eine erhöhte Beschleunigungsfähigkeit während Perioden einer Luftabzapfung vom Kompressor erzielt werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe werden entsprechend einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung die Kompressorabzapfung erfaßt und der Beschleunigungstreibstoffplan bzw. das entsprechende Schema oder Programm abhängig hierum beeinflußt, um während dieser Betriebsperiode eine größere Beschleunigungsfähigkeit zu erzielen. Da das Triebwerk bei einer vergrößerten Kompressorabzapfung einen erhöhten Strömungsabriß- bzw. Sicherheitsspielraum des Kompressors erhält, ergibt sich eine Vergrößerung bezüglich des Wertes der erzielbaren Wellenleistungsentnahme oder des Rotorbeschleunigungs-

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moments durch Anreichern des Beschleunigungstreibstoffplans als Funktion der erfaßten Abzapfung. Natürlich ist darauf hinzuweisen, daß der Beschleunigungstreibstoffplan nicht unbeschränkt angereichert werden kann, da bei großen Abzapfungspegeln die Temperaturgrenze des Triebwerks ohne Strömungsabriß des Kompressors überschritten werden könnte. Dementsprechend kann das Triebwerk mit einer zusätzlichen Regelschleife zum Begrenzen der Turbinentemperatur versehen sein.

Nach einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das Maß bzw. der Wert der Kompressorabzapfung dadurch angenähert, daß der statische Kompressorauslaß- bzw. -enddruck (CDP) sowie der statische Druck in der Kompressorabzapfungsleitung (CBP) erfaßt und das Verhältnis dieser zwei Größen zum Ableiten einer Abzapfungsstromcharakteristik gebildet werden. Diese kann dann mit einem Multiplikator versehen v/erden, um ein Beeinflussungssignal zum erwünschten Anreichern des Beschleunigungstreibstoffplans abzuleiten. Wenn nur eine solche Anreicherung angewendet wird, daß der Gewinn an Strömungsabriß- bzw. Sicherheitsspielraum aufgebraucht wird, bleibt unabhängig von der Größe der Kompressorabzapfung eine konstante Beschleunigungsbahn auf der Kompressorkarte bzw. -kurvendarstellung erhalten.

Während zwar die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer Kompensation der Kompressorauslaßabzapfung beschrieben wurde, ist sie in gleicher Weise bei einer Abzapfung von Zwischenstufenöffnungen anwendbar. Wenn die Abzapfung von einer KompressorZwischenstufe abgeleitet wird, wird der Stufenauslaßdruck in Verbindung mit dem statischen Abzapfleitungsdruck bei der Berechnung des Multiplikators des Beschleunigungsplans benutzt.

Weitere Einzelheiten, Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines abänderbaren Ausführungsbcispiels in Verb.ndung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 - in einer schematischen Darstellung ein Turbogebläsetriebwerk desjenigen Typs, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist,

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Figur 2 - eine Kompressorkarte bzw. -kurvendarstellung für ein typisches Turbogebläsetriebwerk, wobei das Kompressordruckverhältnis als Funktion des Kompressorluftstroms mit und ohne Kompressorauslaßabzapfung dargestellt ist,

Figur 3 - in einer graphischen Darstellung den Beschleunigungstreibstoffparameter für ein Turbogebläsetriebwerk, wobei der korrigierte Brennstoffluß bzw. Treibstoffdurchsatz als eine Funktion der korrigierten Drehzahl dargestellt ist, und zwar mit und ohne Abzapfungsbeeinflussung nach der vorliegenden Erfindung, und

Figur 4 - in einem schematischen Bild eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bei einer Anwendung an einem typischen Turbogebläsetriebwerk.

Gemäß Figur 1 ist die vorliegende Erfindung bei 1o in Verbindung mit einem Turbogebläsetriebwerk 11 dargestellt, das einen Gebläserotor 12 und einen Kerntriebwerksrotor 13 enthält. Der Gebläserotor 12 hat an seinem vorderen Ende eine Vielzahl von Geblä~eschaufeln 14 und an seinem hinteren Ende eine Niederdruck- oder Gebläseturbine 16, die die Gebläseschaufeln ^n einer bekannten Weise über eine Turbinenwelle 17 antreibt. Der Kerntriebwerksrotor 13 hat an seinem vorderen Ende einen Kompressor 18 und an seinem hinteren Ende eine Leistungs- oder Hochdruckturbine 19, die den Kompressor über eine Kompressorwelle 21 antreibt. Zwischen dem Kompressor und der Turbine befinuet sich ein Brenner 22, der den Brennstoff mit dem Luftstrom verbindet und die Mischung zündet, um in das System thermische Energie einzuspeisen.

Im Betrieb gelangt Luft in das Gasturbinentriebwerk 11 durch einen Lui'ceinlaß 23, der mittels eines den Gebläserotor 12 umgebenden geeigneten Verkleidungs- oder Rumpfgliedes 24 bestimmt wird. Die in den Einlaß .3 eintretende Luft wird durch den Drehvorgang der Gebläseschaufeln 14 komprimiert und dann zwischen einem ringförmigen Durchgang 26, der von der Gebläse^analverkleidung 24 sowie der Kerntriebwerksummantelung 27 begrenzt wird, und einem Kerntriebwerksdurchgang 28 aufgeteilt, dessen äußere Begrenzung von der Kerntriebwerksummantelung 27 bestimmt wird. Die unter Druck ge-

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setzte und in den Kerntriebwerksdurchgang 28 eintretende Luft wird durch den Kompressor 18 weiter verdichtet und dann zusammen mit hochenergetischem Brennstoff in dem Brenner 22 gezündet. Dieser hochenergetische Gasstrom strömt dann durch die Hochdruckturbine 19, um den Kompressor 18 anzutreiben, und danach durch die Gebläseturbine 16, um die Gebläseschaufeln 14 zu treiben. Das Gas wird dann durch die Hauptdüse 29 nach außen geleitet, um dem Triebwerk in bekannter Weise Vorschubkräfte zu erteilen. Eine zusätzliche Vorschubkraft wird durch das Ausströmen von unter Druck gesetzter Luft aus dem ringförmigen Kanal bzw. Durchgang 26 erzielt.

Zum Regeln des Brennstofflusses durch den Brenner 22 ist eine Brennstoffregelungseinrichtung 32 vorgesehen, um die Triebwerksgeschwindigkeit bzw. -drehzahl sowie die Beschleunigungs- und Abbremsverhältnisse zu regeln und um die Veränderungen bezüglich der Höhenlage, der Kompressoreinlaßtemperatur.sowie des Kompressorauslaßdrucks zu kompensieren. Die Brennstoffregelung arbeitet in Abhängigkeit von der Kompressoreinlaßtemperatur (T25), der Kerntriebwerksdrehzahl (XNH), dem Kompressorauslaßdruck (CDP) und einer Leistungsbedarfseingangsgröße, wobei diese Signale über entsprechende Leitungen 33, 34, 35 und 36 geleitet werden. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß natürlich auch weitere Eingangssignale für die Brennstoffregelungseinrichtung oder ändert Signale benutzt werden können. Beispielsweise ist es üblich, die Brennstoff regelungseinrichtung mit einem Signal zu versorgen, das repräsentativ für die Gastemperatur der Turbine ist, um den Brennstoffluß zu begrenzen und übermäßige Temperaturen in der Turbine zu vermeiden. Ein anderes Beispiel besteht darin, daß anstelle der Kerntriebwerksdrehzahl (gemäß der obigen Beschreibung) die Gebläsedrehzahl erfaßt und das entsprechende Signal der Brennstoffregelungseinrichtung 32 zugeführt werden. Diese arbeitet in jedem Fall in der Weise, daß der Brennstoffstrom zum Brenner 22 durch Signale geregelt wird, die über eine Leitung 37 übertragen werden.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Veränderung des Bestaleunigungs-Treibstoffdurchsatzplans bzw. -Schemas bzw. -programms, um während bestimmter Betriebsperioden verbesserte Eigen-

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schäften bezüglich der Leistungsfähigkeit zu erzielen. Die Verbesserung umfaßt eine Vorspann- dzw. Beeinflussungseinrichtung 38, die Signale empfängt, welche für gewisse Betriebsparameter des Triebwerks repräsentativ sind, und die über eine Leitung 39 an die Brennstoff- bzw. Treibstoffregelungseinrichtung 32 ein sich ergebendes Signal abgibt, um entsprechend den Treibstoffdurchsatzplan zu modifizieren. Um das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreicnen, ist es erwünscht, daß die Beeinflussungseinrichtung 38 in Abhängigkeit von der Luftmenge betrieben werden kann, die von dem Kompressor abgezapft wird. Diese Luftmenge kann durch das Verhältnis des statischen Kompressorauslaß- bzw. -enddrucks (CDP) zum statischen Druck in der Abzapfleitung (CBP) repräsentiert werden. Es werden deshalb diese Größen im Triebwerk erfaßt und entsprechende repräsentative Signale über Leitungen 41 sowie 42 zugeführt. Die Betriebsweise der Beeinflussungseinrichtung 38 wird nachfolgend näher erläutert.

In Figur 2 ist eine Kompressorkarte bzw. ein entsprechender Plan eines typischen Gasturbinentriebwerks dargestellt, und zwar für beide Dauerzustands- sowie Beschleunigungsbetriebsperioden und in beiden Fällen mit sowie ohne eine gewisse Kompressorabzapfmenge. Die Linie A repräsentiert die Betriebslinie des stationären Zustands, wenn keine Luft von dem Kompressor abgezapft wird. Die Linie B repräsentiert den Betrieb des Triebwerks während Beschleunigungsperioden ohne eine Kompressorabzapfung, wobei das Rotorbeschleunigungsmoment vergrößert und der Strömungsabrißspielraum des Kompressors vermindert werden. Um sicherzustellen, daß das Triebwerk immer in seinem Leistungsfähigkeitsbereich arbeitet, ist es so 'j-.^staltet, daß während einer Beschleunigungsperiode mit einer Kompressorabzapfung der Größe Null ständig eine vorgegebene Größe eines Strömungsabrißspielraums des Kompressors verbleibt. Dieser notwendige Strömungsabrißspielraum bleibt mittels eines Beschleunigungsplans bzw. -Schemas gemäß Figur 3 erhalten. Hierbei ist der Brennstoffdurchfluß bzw. Treibstoffdurchsatz während eines stationären Betriebszustandes ohne Abzapfung durch die Linie E dargestellt, und der Treibstoffdurchsatzplan während einer Beschleunigung ohne Abzapfung ist durch die Linie F dargestellt.

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In Figur 2 repräsentiert ein zweites Kurvenpaar C und D den Triebwerksbetrieb im stationären Zustand und während Beschleunigungsperioden, wenn eine gewisse Luftmenge von dem Kompressor abgezapft wird. Es ist festzustellen, daß für eine gegebene Menge an Kompressorabzapfung der Strömungsabrißspielraum für beide Dauerzustands- oder Beschleunigungsperioden der Betriebsweise vergrössert wird. Dieser durch das Abzapfen von Kompuessoriuft verursachte Vorteil bzw. Gewinn bezüglich des Spielraums oder der Sicherheitsgrenze des Strömungsabrisses wird nach der vorliegenden Erfindung ausgenutzt, um eine erhöhte Leistungsfähigkeit zu erzielen. Dies erfolgt durch Anreichern des Treibstoffdurchsatzplans bzw. -Schemas als Funktion der abgezapften Luftmenge, wodurch der Strömungsabrißspielraum aufgebraucht wird, der gewonnen wurde und aber für einen sicheren und geeignett-n Betrieb nicht benötigt wird. Wenn der Treibstoffplan bzw. -durchsatz in einer solchen Weise vergrößert wird, daß der gesamte Gewinn an Strömungsabrißspielraum aufgebraucht wird, dann folgt das Triebwerk unabhängig ob mit oder ohne Abzapfung derselben Beschleunigungsbahn auf einer Kompressorkarte bzw. -kurvendarstellung. Die überhöhten Treibstoffpläne für Dauerzustands- und Beschleunigungsperioden der Betriebsweise sind durch die Kurven G und H in Figur 3 dargestellt.

Figur 4 ist eine schematise. j. Darstellung, aus der es ersichtlich ist, wie dia Beeinflussungseinrichtung 38 innerhalb des Triebwerksregelungssystems angeschlossen ist, um den Beschleunigungsplan in der erwünschten Weise zu modifizieren. Die Brennstoff- bzw. Treibstoffregelungseinrichtung 32 empfängt Signale, die repräsentativ für Parameter des Triebwerksbetriebes sind, wozu die Kompressordrehzahl (XNH), die Kompressoreinlaßtemperatur (T25) und der Kompressorauslaß- bzw. -enddruck (CDP) gehören, um einen typischen WFM/CDP Beschleunigungstreibstoffplan zu erzielen. Es werden gleichzeitig der statische Kompressorauslaßdruck (CDP) und der statische Druck in der Kompressorabzapfleitung (CBP) erfaßt. Eine Verhältnisbildung dieser zwei Größen wird dadurch erzielt, daß die Signale eineiu herkömmlichen Teilerglied 43 zugeführt werden. Das sich ergebende CDP/CBP Signal ist dann repräsentativ für

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die vom Kompressor abgezapfte Luftmenge. Es wurde vor allem festgestellt, daß dieses Verhältnis weitgehend dem Prozentsatz der Kompressorabzapfströmung (WB/W25, wobei WB der abgezapften Luftmenge entspricht und W25 den Kernstromfluß repräsentiert) entspricht. Dieses CDP/CBP Signal wird dann von der Beeinflussungseinrichtung 38 empfangen, die hieran eine geeignete Modifikation vornimmt, um einen Vorspannungs- bzw. Beeinflussur. jsmultiplikator M für ein passendes Modifizieren des Beschleunigungsplans zu erzielen. Es wurde festgestellt, daß ein Multiplikator, der dem Wert 1 plus einer Konstanten multipliziert mit dem Kompressorabzapfverhältnis WB/W25 entspricht, im wesentlichen eine konstante Beschleunigungsbahn auf der Kompressorkarte aufrecht erhält. Ein auf diese Weise berechneter Beschleunigungsmultiplikator führt im Beschleunigungsplan zu einer vergrößerung, die größer als die Zunahme im Dauerzustand WFM/CDP infolge der Kompressorabzapfung ist. Somit ist es möglich, mit Abzapfung eine höhere Leistungsentnahmefähigkeit zu erzielen als ohne Abzapfung. Dementsprechend wird der Vorspannungs- bzw. Beeinflussungsmultiplikator passend modifiziert, um den erwünschten Spielraum zwischen dem Dauerzustand-Treibstoffdurchsatz- und dem beeinflußten Beschleunigungsplan für eine gegebene Größe an Kompressorabzapfung aufrechtzuerhalten.

Während sich zwar die obige Beschreibung auf ein Flugzeuggasturbinentriebwerk bezieht, läßt sich die vorliegende Erfindung bei irgendeiner Gasturbinentriebwerk-Kraftanlage verwenden, wie sie beispielsweise für Schiffs- und industrielle Zwecke benutzt wird. Die obige Beschreibung des Triebwerks ist somit nur beispielhaft für die Triebwerksart, bei der die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Während eine Ausführungsform der Erfindung aufgezeigt und beschrieben wurde, können viele Modifikationen, Substitutionen und Änderungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden. Während die Erfindung beispielsweise im Zusammexihang mit einem Turbogebläsetriebwerk beschrieben wurde, kann sie genau so gut in Verbindung mit einem Turbostrahltriebwerk benutzt werden. Auch läßt sich die Erfindung bei Triebwerken mit einem von einem Kerndrehzahlplan abweichenden Regelungsbetrieb und beispielsweise bei einem Triebwerk anwenden, das entsprechend einem Gebläsedrehzahlplan gesteuert bzw. geregelt wird. - Ansprüche -

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Claims (6)

- 1o Ansprüche

1. Treibstoffregelungssystem für ein Turbinentriebwerk mit einem - Kompressor, von dem ein Teil der Luft abgezapft werden kann, und einer auf Betriebsparameter des Triebwerks ansprechenden Treibstoffregelungseinrichtung, gekennzeichnet durch Mittel zum Erfassen der von dem Kompressor (18) abgezapften Luftmenge und durch Mittel (38) zum Beeinflussen der Treibstoffregelungseinrichtung (32) als Funktion dieser Größe, um den Beschleunigungstreibstoff plan zu vergrößern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel· ein Mittel zum Erfassen des Kompressorauslaß- bzw. -enddrucks (CDP) an der Abzapfentnaiunestufe und Mittel zum Erfassen des Drucks (CBP) in der Kompressorabzapfleitung enthalten.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflösungsmittel (38) einen Multipiizierer (46) enthaiten, der das Beschleunigungsschema mit einer Größe multipiiziert, die einer Funktion des KompressorabzapfVerhältnisses entspricht.

4. Verfahren zum Regeln des Treibstoffdurchsatzes in einem Gasturbinentriebwerk mit einer Treibstoffregeiungseinrichtung, die auf bestimmte Betriebsparameter des Triebwerks anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kompressorluft abgezapft wird, daß die Menge der abgezapften Luft erfaßt wird und daß das Beschleunigungstreibstoffschema als Funktion der abgezapften Luftmenge angereichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erfassen der Abzapfluft der statische Auslaß- bzw. Enddruck an der Kompressorabzapfstufe und der statische Druck in der Kompressorabzapfleitung erfaßt werden.

6. Treibstoffdurchsatzregelungssystem für ein Gasturbinentriebwerk, bei dem Luft selektiv von dem Kompressorstrom abgezapft

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werden kann, gekennzeichnet durch Mittel zum Erfassen der so abgezapften Luftmenge und durch Mittel zum Beeinflussen des TreibstoffdurchsatzSchemas als Funktion hiervon, um den Treibstoff strom anzureichern.

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