DE2746485C2 - Regeleinrichtung für eine Abblas- oder Abzapfeinrichtung in Turbomaschinen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für eine Abblas- oder Abzapfeinrichtung in Turbomaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Regeleinrichtung ist aus der US-PS 36 88 504 bekannt.
• Bei der Herstellung von Turbogebläsetriebwerken ist es üblich, das Kompressionsverhältnis des gesamten Triebwerks zu erhöhen, indem ein oder mehrere Booster- oder Zusatzstufen stromaufwärts von dem Kompressor hinzugefügt werden. Diese Zusatzstufen werden normalerweise unabhängig von dem Kompressor angetrieben und sind in der Strömungsbahn des Kerntriebwerkskompressors angeordnet. Um die passende Beziehung zwischen der von der Zusatzstufe ausgestoßenen Luftmenge und der durch den Kompressor gepumpten Luftmenge bei variablen Betriebsarten beizubehalten, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, einen Bypaß-Ventilmechanismus vorzusehen, wie er in der US-PS 36 38 428 beschrieben ist, um einen Teil der von den Zusatzstufen verdichteten Luft außerhalb des Triebwerk-Nennbetriebes im Bypaß abzuführen, um einen aerodynamischen Strömungsabriß zu vermeiden, der durch den Rückdruck der Zusatzstufen infolge der Unfähigkeit des Kernkompressors zur Aufnahme der gesamten zugeführten Luft hervorgerufen wird.
• Eine übliche Lösung besteht darin, das Öffnen der flächenvariablen Bypaßklappen als Funktion nur der Kerndrehzahl zu planen bzw. zu programmieren und für einen bestimmten Triebwerks-Arbeitspunkt oder über einen relativ schmalen Triebwerks-Arbeitsbereich zu optimieren, wie beispielsweise für eine bestimmte Machzahl des Reisefluges in großer Höhe. Da jedoch für unterschiedliche Mach-Zahlen des Fluges eine abweichende Drehzahlanpassung zwischen dem Kern und dem Boosterrotor vorliegt, kann sich bei Betriebspunkten, die über oder unter dem Nennwert liegen, entweder ein Leistungsverlust durch Abzapfen von zu viel Luft oder ein Verlust an Sicherheitsabstand zur Abreißgrenze infolge des Abzapfens von zu wenig Luft ergeben.
• Die Fehlanpassung zwischen den Zusatzstufen (Booster) und dem Kern wird noch komplizierter durch die Differenz bzw. den Unterschied im Trägheitsmoment der zwei Rotorsysteme. Der Kernrotor mit dem kleineren Trägheitsmoment ermöglicht ein schnelleres Beschleunigen und Abbremsen als der Booster- oder Bläserrotor, so daß während Beschleunigungsperioden die Abzapfklappen vollständig geschlossen werden können, während dagegen in Abbremsperioden die Abzapfklappen-Öffnungserfordernisse zum Einhalten des gewünschten Sicherheitsabstandes eindeutig großer als diejenigen sein können, die dem erwünschten Triebwerks-Arbeitspunkt entsprechen. Wenn der resultierende Verlust an Sicherheitsabstand durch den Rückdruck auf den Booster bewirkt wird, dann könnte sich ein aerodynamischer Strömungsabriß an den Zusatzstufen ergeben.
• Eine weitere Bedingung, die das Problem einer Kern-Booster-Fehlanpassung verstärken kann, besteht in der Zustandsveränderung des Kerns. Es ist festzustellen, daß sich die Qualität eines Kerns aufgrund von Herstellungstoleranzen oder einer Triebwerk- Betriebsverschlechterung verändert, und ein System, das den Öffnungsvorgang der Abzapfklappen allein als Funktion der Kerndrehzahl plant bzw. programmiert, neigt dazu, daß diese Fehlanpassung durch eine Verschlechterung der Kernqualität verstärkt wird.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein gewünschter Sicherheitsabstand von der Strömungsabreißgrenze unabhängig von den veränderbaren Betriebszuständen der Turbomaschine beibehalten wird.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß vereinfachte, zuverlässige und genaue Mittel zum Steuern der Bypaßströmung erhalten werden, um während aller Betriebszustände einen gewünschten Sicherheitsabstand zur Abreißgrenze im Booster bzw. in den Zusatzstufen beizubehalten. Es wird eine selbsttätige Kompensierung von Fehlern erreicht, die sonst durch den Staudruckeffekt sowie die Trägheitsdifferenzen zwischen den Zusatzstufen und dem Kern während eines Übergangsbetriebes entstehen würden. Ferner werden Fertigabweichungen neuer Triebwerke sowie schlechtere Wartungsarbeiten ausgeglichen.
• Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 - in einem Schnitt ein Turbogebläsetriebwerk mit einem Ausführungsbeispiel der in Blockdiagrammform dargestellten Regeleinrichtung,
• Fig. 2 - in einer graphischen Darstellung einen typischen Abzapfplan mit den verschiedenen Arbeitslinien,
• Fig. 3 und 4 - graphische Darstellungen der Kern-Booster-Drehzahl- und Luftstrom-Anpassungen in ihrer Veränderung mit den Mach-Zahlen und
• Fig. 5 - ein Booster-Kompressor-Kurvenbild und seine Beeinflussung durch die erfindungsgemäße Regeleinrichtung bei verschiedenen Arbeits- bzw. Betriebspunkten.
• Fig. 1 zeigt ein Turbogebläsetriebwerk 11, das ein Kerntriebwerk 12 mit einem Gehäuse 13 aufweist, welches in das stromabwärtige Ende eines ringförmigen Bläsergehäuses bzw. -mantels 14 hineinragt, um in Verbindung hiermit dazwischen einen Ablaß- bzw. Abgaskanal 16 zu bilden. Das Kerntriebwerk 12 hat einen Kompressor 17, einen Brenner 18 sowie eine Turbine 19, die längs einer ringförmigen Kerntriebwerks-Strömungsbahn 21 mit einem Einlaß 22 strömungsmäßig in Reihe geschaltet sind. Der Kompresssor 17 und die Turbine 19 enthalten entsprechende Rotorabschnitte 23 und 24, die miteinander verbunden sind und einen Kerntriebwerksrotor 26 bilden.
• Ferner ist in dem Gehäuse 13 ein Niederdruckrotor 27 angeordnet, der unabhängig von dem Kerntriebwerksrotor 26 umläuft. Der Niederdruckrotor 27 enthält einen Bläserrotor 28 in dem Rotorabschnitt 29 einer Niederdruckturbine 31. Der Bläserrotor 28 weist Bläserschaufeln 32, die sich stromaufwärts von dem Einlaß 22 der Kerntriebwerks-Strömungsbahn 21 allgemein radial erstrecken, und mehrere Zusatz- bzw. Boosterstufen 33 auf, die sich über die Kerntriebwerks-Strömungsbahn 21 erstrecken, um die Luft vor der Abgabe an den Kompressor 17 unter Druck zu setzen.
• Zwischen den Zusatzstufen 33 und dem Kompressor 17 befindet sich eine Abzapfvorrichtung 34, um Luft abzublasen bzw. abzuzapfen. Die Abzapfvorrichtung weist mehrere Abzapfkanäle 36 und Mittel zum Verändern der Abzapfströmungsfläche auf, wozu ein Ventil 37 zum Schließen und variablen Öffnen eines solchen Kanals 36 und geeignete Stellglieder 38 gehören zum Positionieren des Ventils über ein Gestänge 39.
• Eine Steuerung der Abzapfvorrichtung 34 erfolgt über eine Regeleinrichtung 41, die Signale längs einer Leitung 42 zu den Stellgliedern 38 überträgt. Zu den Eingangssignalen der Regeleinrichtung 41 gehören ein über eine Leitung 44 übertragenes Bläserdrehzahlsignal und ein über eine Leitung 43 übertragenes Kerndrehzahlsignal. Diese Signale werden entsprechend von einem mit dem Niederdruckrotor 27 verbundenen Bläserdrehzahlfühler 46 und einem mit dem Kerntriebwerksrotor 26 verbundenen Kerndrehzahlfühler 47 abgeleitet. Die Fühler können mechanisch, elektrisch oder elektromechanisch sein; im beschriebenen Ausführungsbeispiel arbeiten die Fühler 46 und 47 elektrisch, wobei elektrische Signale erzeugt und zum Steuern der Abzapfvorrichtung 34 über Leitungen 43 und 44 zu der Regeleinrichtung 41 geleitet werden.
• Der untere Teil des Blockdiagramms in Fig. 1 stellt eine herkömmliche Art einer Regeleinrichtung dar, bei der das Kerndrehzahlsignal über die Leitung 43 zu einem Funktionsgenerator 48 gelangt, dessen Ausgangsleitung 49 ein Signal zu der Leitung 42 überträgt, um die erwünschte Abzapffläche oder Abzapfventilposition als eine Funktion der Kerndrehzahl in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Programm oder Plan einzustellen. Die Temperatur der Luft kann auch erfaßt werden, um auf eine kernkorrigierte Geschwindigkeit bzw. Drehzahl einzustellen und hierdurch ein genaueres Eingangssignal für den Funktionsgenerator 48 zu bilden. Ein solches herkömmliches System geht davon aus, daß die Booster-Kompressor-Drehzahlanpassung, die für eine bestimmte Arbeitskennlinie hergestellt wird, auch bei anderen Arbeitskennlinien anwendbar und genau ist. Da die Kompressordrehzahl und damit die Luftmenge, die der Kompressor im Bypaß führen kann, bekannt sind, wird mit anderen Worten angenommen, daß die Drehzahl oder Zusatzstufe und die davon gelieferte Luftmenge bekannt sind. Dann kann der Unterschied bzw. die Differenz in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Programm oder Plan abgezapft werden. Eine kurze Analyse der Leistungscharakteristiken bei variablen Betriebsbedingungen zeigt jedoch, daß diese Annahmen einen bedeutenden Fehler in die Regelung einführen.
• In Fig. 2 ist ein typisches Arbeits- bzw. Betriebsprogramm mit dem Meereshöhe-Stationärzustand (SLS), der Höhenflug-Betriebskennlinie und dem Meereshöhe-Drosselzustand dargestellt. Wie es zuvor erwähnt wurde, sind gewöhnlich Doppelrotorkompressoren für einen Betrieb an einem Triebwerk-Arbeitspunkt angepaßt, beispielsweise für einen Reiseflug auf großer Höhe. Deshalb wird die Menge der abgezapften Luft in Übereinstimmung mit der Betriebskennlinie gesteuert, und zwar unabhängig von dem tatsächlichen Arbeitspunkt des Triebwerks. Zur Erläuterung sei davon ausgegangen, daß die Kerndrehzahl bei 77% liegt. Wenn angenommen wird, daß das Triebwerk für einen angepaßten Betrieb bei einem Reiseflugzustand in großer Höhe ausgelegt ist, führt dieses zu einer Luftabzapfung in einer dem Punkt A in der graphischen Darstellung entsprechenden Menge K. Es ist jedoch festzustellen, daß dann, wenn das Triebwerk bei Drehzahlen arbeitet, die sich von denjenigen unterscheiden, welche von der Höhenflug-Betriebskennlinie dargestellt werden, entweder zu viel oder zu wenig Luft abgezapft wird. Wenn das Triebwerk beispielsweise tatsächlich auf der SLS-Betriebskennlinie arbeitet, ist die erforderliche Abblasluftmenge (die dem Punkt B entspricht) sehr viel kleiner. In dem Maße, wie mehr Luft abgezapft wird, ergeben sich Nachteile bzw. Verschlechterungen bezüglich der Leistungsfähigkeit. Wenn andererseits das Triebwerk unter Bedingungen einer SLS-Drosselung arbeitet, entspricht die erwünschte Menge L der abzuzapfenden Luft dem Punkt C der graphischen Darstellung. Wenn nur die dem Punkt A entsprechende kleinere Menge K abgezapft wird, hebt der Rückdruck von dem Kompressor die Booster-Betriebskennlinie an, so daß die Strömungsabrißgrenze auf einen Punkt unterhalb des für einen sicheren Betrieb erforderlichen Wertes vermindert wird.
• Zur weiteren Erläuterung wird auf die Fig. 3 und 4 verwiesen sowie angenommen, daß das Triebwerk für einen angepaßten Booster- Kompressor-Betrieb bei einem Betriebspunkt M = 0,6 ausgelegt ist. Wie es ersichtlich ist, steigt die Booster-korrigierte Drehzahl relativ zur Kern-korrigierten Drehzahl mit zunehmender Flugzeug-Mach-Zahl. Da dementsprechend die korrigierte Rotordrehzahl ein Maß für den korrigierten Luftstrom ist, steigt der Booster-Ablaßluftstrom auch relativ zu dem korrigierten Kernluftstrom, wenn die Flug-Mach-Zahl steigt. Somit wird die abzuzapfende Luftmenge durch den schraffierten Teil in Fig. 4 dargestellt. Wenn nunmehr das Triebwerk statt an dem Anpassungspunkt M = 0,6 tatsächlich bei einem Betriebspunkt M = 0,8 läuft bzw. arbeitet, dann kann die abgezapfte Luftmenge mangelhaft sein und zu einer Einbuße an Sicherheitsabstand zur Abreißgrenze führen.
• Zusätzlich zu dem soeben beschriebenen Staudruckeffekt können Trägheitsunterschiede zwischen dem Booster und dem Kompressor ebenfalls zu Booster-Kompressor-Fehlanpassungen während der Übergangsbetriebszustände führen. Dies ist aus Fig. 3 ersichtlich. Während eines Stoßbetriebs oder einer großen Rotorbeschleunigung neigt der eine kleinere Trägheit aufweisende Kompressor zu einem schnelleren Beschleunigen als die Zusatzstufe (Booster), so daß er mehr Luft aufnehmen kann, als die Zusatzstufe zu liefern vermag, auch wenn die Abzapfklappen der Zusatzstufe vollständig geschlossen sind. Während Abbremsperioden führt jedoch die höhere Trägheit der Zusatzstufe dazu, daß Luft fortgesetzt schneller gepumpt wird, als der Kompressor Luft aufnehmen kann, und deshalb muß eine größere Luftmenge abgezapft werden. Sonst kann die Betriebskennlinie der Zusatzstufe auf einen Punkt ansteigen, der zu einem unsicheren Betriebszustand führt.
• Die oben erörterten Probleme werden gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung gelöst, indem ein anderer Parameter in die Regeleinrichtung eingeführt wird. Die tatsächliche bzw. Ist-Bläserdrehzahl, oder im Bedarfsfall ein die Booster-korrigierte Luftströmung darstellendes modifiziertes Signal, wird einer Vorspannungsschaltung 51 (in Fig. 1 als gestrichelter Block dargestellt) eingegeben, um das Ausgangssignal des herkömmlichen Funktionsgenerators 48 zu beeinflussen.
• Die Vorspannungsschaltung 51 enthält einen Referenzplan bzw. ein Referenzprogramm 52 zum Berechnen der Soll- oder Referenz-Bläserdrehzahl für die Kerndrehzahl an dem Auslegungspunkt der Regeleinrichtung. Die Ist-Kerndrehzahl wird von der Leitung 43 über die Eingangsleitung 53 zum Referenzprogramm 52 geleitet, an dessen Ausgangsleitung 54 ein Soll- oder Referenz-Bläserdrehzahlsignal erzeugt wird. Dieses Signal wird dann mit dem Ist- Bläserdrehzahlsignal in einer Summierschaltung 56 verglichen, und das resultierende Signal (entweder positiv oder negativ) wird über eine Leitung 57 einem nichtlinearen Verstärker 58 zugeführt. Das sich ergebende Vorspannsignal gelangt über eine Leitung 59 zu einer Summierschaltung 61, wo es dem Ausgangssignal des Funktionsgenerators 48 hinzugesetzt wird, um ein eingestelltes Abzapfklappensignal zu erhalten, das über die Leitung 42 übertragen wird.
• Im Betrieb wird die Ist-Bläserdrehzahl erfaßt und mit dem Soll- Bläserdrehzahlsignal verglichen. Wenn die Ist-Bläserdrehzahl die Soll-Drehzahl übersteigt, was bei einer Drosselung der Fall sein kann, dann erfolgt ein öffnendes Vorspannen des Grundabzapfprogramms, und die Abzapfung wird um einen zusätzlichen Wert geöffnet, der proportional zur Ist-Drehzahl der Zusatzstufe ist.
• In Fig. 5 ist die Wirkung der Regeleinrichtung anhand eines Kurvenbildes der Zusatzstufe (Booster) dargestellt, wenn die relativen Drehzahlen des Boosters und Kerns verändert werden. Anfänglich läuft das Triebwerk im stationären Zustand, der durch eine gegebene korrigierte Boosterdrehzahl und einer gegebenen korrigierten Kerndrehzahl dargestellt ist, wobei die Zusatzstufe am Punkt D eindeutig innerhalb der Grenzen eines annehmbaren Sicherheitsabstandes von der Abreißgrenze arbeitet. Wenn nunmehr die Kerndrehzahl unter Aufrechterhaltung einer konstanten Boosterdrehzahl reduziert wird und die Abzapfklappen bzw. -türen in einer fixierten Position gehalten werden, erfolgt eine Verschiebung des Betriebes des Boosters zum Punkt E, wobei ein Teil des Sicherheitsabstandes verloren geht. Demgegenüber werden bei dem Betrieb der Ausführungsbeispiele der Erfindung die Abzapfklappen geöffnet, um die Strömungsdifferenz zwischen den Punkten D sowie E aufzunehmen bzw. auszugleichen, wodurch sich der Booster-Arbeitspunkt wieder zurück zum Punkt E verschiebt, so daß der verlorene Sicherheitsabstand zurückgewonnen wird. Wenn andererseits die Boosterdrehzahl vergrößert und die Kerndrehzahl konstant gehalten werden, bewegt sich der Betrieb des Boosters zum Punkt F, und es ergibt sich wiederum ein Verlust an Sicherheitsabstand. Wenn aber die Abzapfklappen weiter geöffnet werden, wird die passende Luftmenge abgezapft, wie es durch die Strömungsdifferenz zwischen den Punkten F und G dargestellt ist, und der Booster gewinnt seinen verlorenen Sicherheitsabstand von der Abreißgrenze zurück.
• Es sei nunmehr eine Drosselungsabbremsung betrachtet, bei der der Booster relativ zum Kern sehr langsam abbremst. Die Arbeitsweise des Boosters ist durch die Linie H dargestellt. In diesem Fall muß ein relativ großes Abzapfmaß aufrechterhalten werden, um den Booster auf die erwünschte Betriebskennlinie zurückzubringen, wie sie durch die Linie J dargestellt ist. Da der korrigierte Booster-Ablaßluftstrom und der korrigierte Kernluftstrom proportional zur korrigierten Boosterdrehzahl bzw. korrigierten Kerndrehzahl sind, kann die erwünschte Booster-Arbeitslinie J ständig beibehalten werden, wenn die Türen bzw. Klappen als Funktion der korrigierten Kerndrehzahl und korrigierten Bläserdrehzahl eingestellt bzw. programmiert werden.
• Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Hinzufügen des korrigierten Bläserdrehzahlparameters das Planen bzw. Programmieren der Abzapfklappenöffnung vereinfacht und verbessert, und zwar durch selbsttätiges Berücksichtigen der variablen Faktoren, die sonst dazu neigen, eine Abweichung von dem erwünschten Abzapfplan zu bewirken. Die erfindungsgemäß eingeführte Vorspannung ermöglicht es, daß sich der Betrieb der Abzapfklappen von dem durch die in Fig. 2 gestrichelte Linie (Betriebskennlinie) dargestellten Plan verschiebt. Während beispielsweise ein herkömmliches System nicht zwischen den Betriebsbedingungen der Punkte A und C unterscheiden kann, erfolgt nun ein selbsttätiges Einführen einer Abzapfung (wie es durch die Differenz zwischen den Punkten K und L dargestellt ist), und zwar aufgrund der Fähigkeit der Regeleinrichtung, die korrigierte Bläserdrehzahl M sowie N zu unterscheiden und entsprechende Signale einzuführen, um den bekannten stationären Betrieb des Abzapfens bzw. Abblasens zu verändern.

Claims (8)

1. Regeleinrichtung für eine Abblas- oder Abzapfeinrichtung in Turbomaschinen mit einem ersten Kompressor und einem zweiten Kompressor, der in der Luftströmungsbahn des ersten Kompressors angeordnet und unabhängig von diesem angetrieben ist, wobei die Abblas- oder Abzapfeinrichtung Abluft von dem ersten Kompressor abzapft in Abhängigkeit von einem Plan bzw. Programm, das eine Funktion des Luftstroms in dem zweiten Kompressor ist, gekennzeichnet durch Mittel (46) zum Erfassen der Drehzahl des ersten Kompressors (33) und durch Mittel (51, 61) zum Regeln der gemäß dem Plan bzw. Programm (bei 48) abzuzapfenden Luftmenge in Abhängigkeit von der Drehzahl des ersten Kompressors (33).

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel (46) Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Signals aufweisen, das die Drehzahl des ersten Kompressors (33) darstellt.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel (51, 61) in Abhängigkeit von der Ist-Drehzahl des zweiten Kompressors (17) und der Ist-Drehzahl des ersten Kompressors (33) arbeiten.

4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kompressor (33) mit einem Bläserrotor (28) und der zweite Kompressor (17) mit einem Kerntriebwerk (12) umläuft.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel (51, 61) ferner einen Dauerzustand- bzw. Stationärzustand-Funktionsgenerator (52) enthalten, der ein die Ist-Kerndrehzahl darstellendes Signal empfängt (bei 53) und ein eine stationäre Bläserdrehzahl darstellendes Referenzsignal (bei 54) erzeugt.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel (51, 61) ferner Mittel (56) zum Vergleichen der Ist-Bläserdrehzahl mit dem Bläserdrehzahl-Referenzsignal und zum Erzeugen eines resultierenden Ausgangssignals (bei 57) aufweisen.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel (51, 61) ferner einen Verstärker (58) enthalten, der das Ausgangssignal empfängt und ein Vorspannungssignal (bei 59) zum Verändern (bei 61) des von dem Plan bzw. Programm (bei 48) gelieferten Signals erzeugt.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß der Plan bzw. das Programm (bei 48) als Funktion der Kerndrehzahl aufgestellt ist.