DE2909825C2

DE2909825C2 - Vorrichtung zur Einstellung des Anstellwinkels der Verdichterleitschaufeln eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE2909825C2
Application number: DE2909825A
Authority: DE
Inventors: Peter Gordon Graham Mickleover Derby Farrar; Alan George Littleover Derby Radcliffe
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-03-14
Filing date: 1979-03-13
Publication date: 1982-11-11
Also published as: FR2420046B1; US4252498A; IT1111897B; JPS60543B2; IT7920751A0; FR2420046A1; DE2909825A1; JPS54133209A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Durch die Veränderung des Anstellwinkels soll bei Axialströmungsverdichtern d.'r Vorgang des Pumpens unter allen zu erwartenden Betriebsbedingungen verhindert werden. Von den Druckfühlern wird dabei ein Druckverhältnis abgeleitet, dem jeweils ein optimaler Anstellwinkel zugeordnet ist.

Bei einer soK-.ien, einen internen Stand der Technik bildenden Vorrichtung ist der zv, ite Druckfühler in der Niederdruckströmung an piner Stelle angebracht, wo der Druck von den eingestellten Lf ^:tschaufeln unbeeinflußt bleibt. Hierdurch läßt sich bei langsam ändernden Betriebsbedingungen eine zuverlässige und optimale Schaufeleinstellung in einem relativ breiten Arbeitsbereich erreichen, indem ein Abreißen der Strömung nicht zu befürchten ist Dadurch, daß der erste Druckfühler direkt auf den Kompressor-Förderdruck anspricht, ergibt sich unter diesen sich langsam ändernden Betriebsbedingungen auch ein befriedigend schnelles Ansprechen der Stellvorrichtung.

Nachteilig an dieser bekannten Anordnung ist jedoch die Arbeitsweise bei schnellen Änderungen des Hochdrucks. Der erste Druckfühler spricht dann sehr schnell an und durch die hierauf reagierende Stellvorrichtung kommt ein Überschwingen der Laufschaufel über den optimalen Einstellwinkel zustande, weil der Druck, dem der zweite Druckfühler ausgesetzt ist. nii. ι mit der gleichen Schnelligkeit ansteigt und es eine gewisse Zeit dauert, bis das für die richtige Schaufelein stellung maßgebende Druckverhältnis nach einer plötzlichen Änderung wieder zustande kommt. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, muß der Sicherheitsarbeitsbereich entsprechend schmal gehalten werden, um die Gefahr eines Abreißens der Strömung auch bei schnellen Druckänderungen zu vermeiden.

Es ist auch bekannt, anstelle der Schaufelverstellung in Abhängigkeit von Druckfühlern ein Abblasen des Verdichters zu bewirken, um einen Pumpeinsatz zu vermeiden. Eine solche Regelart ist aus der GB-PS 12 23 490 bekannt Hierbei wird zur Steuerung der Anzapfung eine Beziehung zwischen dem Gesamt' druckanstieg über dem Verdichter und der Differenz zwischen Gesamtdruck und statischem Druck am

Kompressoreinlaß oder Auslaß benutzt. Dadurch kommt auch hier bei sehr schnellen Änderungen des Förderdrucks eine Übersteuerung zustande, bevor sich das Druckverhältnis so einstellen kann, wie es für die optimale Anzapfung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs in der Weise zu verbessern, daß auch bei plötzlichen Änderungen, wie sie beispielsveise bei schneller Beschleunigung des Triebwerks auftreten, eine optimale Schaufeleinstellung schnell und sicher gewährleistet ist, ohne daß ein Überschwingen der Schaufeln zu befürchten ist.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß der zweite Druckfühier an einer Stelle sitzt, die durch die Schaufeleinstellung beeinflußt wird, ändert sich das die Einstellung des Schaufelwinkels bewirkende Verhältnis hinsichtlich der beiden Drucksteuergrößen so, daß nicht nur der Zähler, sondern auch der Nenner verändert wird, was eine sanfte und aperiodische Einstellung des Anstellwinkels der Schaufeln auf den optimalen Wert gewährleistet, der durch diese Art der Regelung »vorausgeahnt« wird, und der dem nachfolgenden Betriebszustand entspricht, in dem sich das Druckverhiltnis nicht mehr änuert.

Es ist zwar durch die DE-OS 16 28 269 und die entsprechende US-PS 34 03 842 bekannt, zur Feststellung eines Druckverhältnisses zwei Druckfühler vorzusehen, um in Abhängigkeit von auftretenden Abweichungen Einstellbewegungen vorzunehmen, falls in einer Stufe ein Abreißen der Strömung zu befürchten ist. Hierbei liegen jedoch die beiden Druckfühler in ein und derselben Querschnittsebene des Triebwerks, in der normalerweise über dem gesamten Umfang der gleiche Druck herrschen müßte. Unter bestimmten Betriebsbedingungen können sich jedoch in einer Querschnittsebene unterschiedliche Drücke einstellen, und diese bekannte Vorrichtung erfaßt eine etwa auftretende Druckdifferenz innerhalb dieser Querschnittsebene und benutzt diese Differenz zur Durchführung einer Slellbewegung im Sinne der Verminderung der Differenz.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mi? einem Steuersystem gemäß der ;o Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Kompressordruckverhältnisses in Abhängigkeit von der Luftströmung;

F i g. 3 und 4 graphische Darstellungen des Leitschaufelwinkels gegenüber einem Druckverhältnis bzw. einem triebwerksdrehzahlabhängigen Wert;

F i g. 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Druckanstieg über einem verstellbarem Einlaßleitschaufelkranz und der folgenden Rotorstufe und der Kompressormassenströmung zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 der Turbofan-Bauart mit einem Lufteinlaß 12, einem Fan 14, der einen Fankanal 16 mit Luft speist und mit einem mehrstufigen Axialströmungszwischenverdichter 18 Und einem mehrstufigen Hochdruckkompressor 20, mit einer Verbrennüngseinrichtung 22, einer Turbine 24, einem Strahlrohr 26 und einer Abgasdüse 28. Der Fan 14 und die Kompressoren 18 und 20 werden von der

Turbine angetrieben, die ihrerseits durch die Heißgase der Verbrennungseinrichlung 22 angetrieben wird.

Es können zwei oder drei getrennte Turbinen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein, und im ersteren Fall treibt eine Niederdruckturbine den Fan 14 und den Zwischendruckkompressor 18 und im letzteren Falle treibt eine Zwischendraekturbine den Zwischendruckkompressor 18. In jedem Falle wird der Hochdruckkompressor 20 durch eine Hochdruckturbine angetrieben.

Der Zwischendruckkompressor 18 ist mit einstellbaren Einlaßleitschaufeln 30 ausgestattet, die unmittelbar stromauf der ersten Stufe von Rotorschaufeln 32 des Kompressors liegen. Eine Gruppe fester Statorschaufeln 34 befindet sich unmittelbar stromab der Rotorschaufeln 32. Um die Winkel der einstellbaren Einlaßleitschaufeln 30 einstellen zu können, ist jede Schaufel über einen Hebel 38 mit einem gemeinsamen Stellring 40 verbunden. Der Stellring kann in Umfangsrichtung über eine Kurbel 42 bewegt werden, die von einem pneumatischen Kolbenzylinderantrieb 44 betätigt wird. Dieser Antrieb wird durch oie Steuerstufe 36 in der weiter unten beschriebenen Weise betät\gt

Die einstellbaren Einlaßleitschaufeln (VIGV) werden automatisch durch das Steuersystem gemäß der Erfindung eingestellt, und im Idealfall soll die Einstellung so vorgenommen werden, daß sie einem vorbestimmten Programm folgt, wenn sich die Triebwerksdrehzahl ändert, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist Der VIGV-Winkel wird vorzugsweise zwischen vorbestimmten Grenzwerten eingestellt, und zwar im typischen Fall zwischen ungefähr 50° und 10° gegenüber der Triebwerksachse, wenn sich die Triebwerksdrehzahl ändert. (In F i g. 4 wird die Triebwerksdrehzahl yV durch den Ausdruck {T eingestellt, um die sich ändernde Umgebungstemperatur zu berücksichtigen, die einen vorherrschenden Effekt auf das Verhalten des Triebwerks hat). Der Ausdruck —== kann durch ein

ρ vT

Druckverhältnis —2- ersetzt werden, das in F i g. 3

dargestellt ^:;t. Dabei ist Pn der Förderdruck des Hochdruckkompressors 20 und Pr ist ein niedrigerer Druck, der von einem anderen Teil der Luftströmung im Triebwerk abgenommen wird, beispielsweise kann dies der Fanströmungsdruck sein, der im Kanal 16 auftritt.

Diese beiden Drücke werden durch geeignete Mittel abgenommen und der VIGV-Steuei tufe 36 zugeführt. Diese Steuerstufe stellt den Winkel der Einlaßleitschaufeln ein. indem der Kolbenantrieb 44 betätigt wird, der mit den Einlaßleitschaufeln verbunden ist, wobei die

Einstellung gemäß dem Druckverhältnis—— erfolgt, um

der Progranmlinie gemäß F i g. 3 zu folgen.

Gewisse Umstände können zur Folge haben, daß sich der Druck Ph schnell ändert, wobei die entsprechende Änderung in Pr unzureichend ist, um die Einlaßleitschaufeln entlang der Programmlinie gemäß Fig. 3 einzustellen. Eine solche Situation tritt ein, wenn das Triebwerk plötzlich beschleunigt werden soll, (schlagartige Beschleunigung) und wenn der Gashebel des Triebwerks weit geöffnet wird, damit mehr Brennstoff in die Verbrennungseinrichtüng gelangt. In diesem Fäll steigt Pn schnell an, wodurch das Verhältnis Ph durch Pl erhöht Und der Einlaßleitschaufelwinkel vermindert wird, bevor die TWebwerksdrehzahl sich vergrößert hat. Dies hat eine zweifache Wirkung, die in Fig.2 dargestellt ist. Die Arbeitslinie des Kompressors 18 steigt an wenn die Brennstoffzufuhr erhöht wird, um das Triebwerk zu beschleunigen und da die Einlaßleitschaufeln auf einen kleineren Winkel eingestellt sind als für die betreffende Triebwerksdrehzah!: festgelegt, wird die Pumplinie abgesenkt. Die Sicherheilsgrenze die propor tjonal dem Spalt zwischen der Arbeitslinie und der Pumplinie ist, wird infolgedessen vermindert.

Der Zweck des erfindungsgemäßen Steuersystems besteht darin, diese Wirkung zu vermeiden. Gemäß der Erfindung wird dafür Sorge getragen, daß der

IQ Niederdruck Pl der Druck in dem Kanal stromab der einstellbaren Leitschaufeln 30 ist, und daß dieser Druck an einem Punkt abgenommen wird, der genügend üicht an den Einiaßleitschaufeln liegt, so daß der Druck von dem Winkel der einstellbaren Schaufeln abhängL Dies ist richtig für die Drücke der ersten vier Rotorstufen und der Statorstufen stromab der einstellbaren Schaufeln, aber es ist am meisten ausgeprägt, an Stellen unmittelbar stromab der Schaufela Gemäß der Erfindung wird der Druck Ps\ benutzt, d. b. der Druck.

der an den Statorschaufeln 34 des Zwischendruckkompressors 18 auftritt, und zwar unmittelbar stromab der ersten Stufe von Rotorschaufelu 32. Dieser Druck wird durch den Abgriff 35 abgenommen, während der höhere Druck durch den Abgriff 37 abgenommen wird.

Da gemäß der Erfindung der Druck P_s ι unmit*elbar stromab der Rotorschaufeln 32 abgenommen wird, erfolgt Jme schnelle Feststellung des sich vermindernden Winkels der Einlaßleitschaufeln, und es können die Einlaßleiischaufeln auf einen größeren Winkel zurück gestellt werden. Daher steigt die Pumplinie etwa auf ihren richtigen Pegel, und der Sicherheitsbereich wird demgemäß vergrößert

Dies ist in F i g. 5 dargestellt, wo eine graphische Darstellung des Druckanstiegs über den Einlaßleitschaufeln und der folgenden Rotorschaufelreihe

T ) als Funktion der Massenströmung durch den

Kompressor dargestellt ist P\ ist der Druck am Einlaß des Kompressors 18 vor den Einlaßleitschaufeln. Wenn die Massenströmung ansteigt, dann fällt das Verhältnis

-^- längs dreier Kurven ab, die charakteristisch sind für

einen kleinen Einlaßleitschaufel-Einstellwinkel, für einen optimalen Winkel und einen großen Winkel gegenüber der Triebwerksachse. Wenn Pi. graduell ansteigt, dann werden die E^;nlaßleitscha>'feln veranlaßt, einen kleineren Winkel einzunehmen, und die Massenströmung vermindert sich anfänglich und das Triebwerk stellt sich auf die geplante Linie mit dem optimalen Einlaßleitschaufelwinkel am Punkt 48 ein und das

Verhältnis -^- würde ansteigen bis ein neuer Punkt 50

erreicht ist.
Mit dem plötzlichen Ansteigen von Ph ergibt sich jedoc.i eine plötzliche Verminderung des Einlaßleitschaufel-Einstellwinkels und eine Verminderung in der Massenströmung. Uas Triebwerk bewegt siv-h demgemäß von der geplanten Linie weg nach einem Punkte 52 von dem Punkt 48 längs der strichlierten Linie 54. Ps ι wird dann über de" geplanten Wert bei 50 angehoben, und diese Vergrößerung wird der Schaufeleinsteilsteuerstufe 36 zugeführt, um den Anstellwinkel zu vergrößern und das Verhältnis ^-^ zu vermindern. Bei

einer konstanten Massenströmung bewegt sich der Arbeitspunkt längs Tier Linien 46 nach dem Punkt 50 zurück, so daß der Kompressor Wiederum auf der geplanten Linie arbeitet

Gleiche Wirkungen können auch während einer schnellen Verzögerung auftreten, wenn die Einlaßleitschaufeln sich plötzlich auf einen vergrößerten Winkel einstellen, obgleich in diesem Fall trotz Absenkung der Pumplinie der Arbeitslinie ebenfalls abgesenkt wird und die Sicherheitsgrenze dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Bei einem Pumpvorgang, wenn einer schnellen Verzögerung unmittelbar darauf eine schnelle Beschleunigung folgt und keine Stabilisierungsperiode zwischen Verzögerung und Beschleunigung vorhanden ist, und nur eine geringe oder keine Drehzahländerung erfolgt, bewegen sich die Einlaßleitschaufeln schnell von ihrer geplanten Einstellung auf einen größeren Winkel und dann auf einen kleineren Winkel. Die Möglichkeit des Pumpens ist bei solchen Manövern hoch, weil die Pumplinie beträchtlich abgesenkt wird, aber wegen der Benutzung des Druckes Psi werden die Einlaßleitschaufein schnell wieder zurückgestellt auf ihre geplante Einstellung.

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stellung, die eine fast augenblickliche negative RücksteU lung bewirkt und zu einem stabilen System führt, wobei die Möglichkeit des Pumpens vermindert wird.

Der Druck Pn der als Förderdruck des Hochdruckkompressors beschrieben wurde, könnte jedoch auch an verschiedenen Stellen des Zwischenkompressors oder des Hochdruckkompressors abgenommen werden. Es muß jedoch höher als Ps\ sein und er muß sich mit der Kompressordrehzahl in einem steligen Arbeitszustand des Triebwerks erhöhen, und er muß durch die Lage der Einlaßleitschaufeln in einem geringeren Ausmaß beein-

flußt werden als der niedrigere Steuerdruck. Er muß auch auf die Brennkammerdrücke ansprechen und demgemäß wird der Hochdruck-Förderdruck als der optimale Drück in diesem Zusammenhang angesehen.

In der vorliegenden Beschreibung ist nur eine Gruppe

ίο von Einlaßleitschaufeln beschrieben, jedoch können alle oder einige der Stalor-Leitschaufeln mit veränderbarem Anstellwinkel ausgebildet sein. So können alle Gruppen von Einlaßleitschaufeln zusammen gemäß einem Druckverhältnis in der vorbeschriebenen Weise gesteuert werden, oder jede Gruppe kann unabhängig von der anderen gesteuert werden, wobei für jede Gruppe eine getrennte Druckverhältnis-Steuerung vorgenommen wird. Stattdessen können einige Gruppen von Einlaßleitschaufeln durch ein Druckverhältnis gesteuert w£fdsn, und verschiedene sndere Gruⁿⁿ£n durch **Ιπ anderes Druckverhältnis. Wenn mehr als eine Gruppe mit veränderbarem Anstellwinkel vorgesehen ist, dann ist es leicht möglich, einen Druck irgendwo stromab der ersten Reihe variabler Schaufeln zu wählen, der inmitten dieser Masse liegt, oder der um einen geringen Betrag stromab der letzten bezüglich des Anstellwinkels einstellbaren Schaufel herrscht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Einstellung des Anstellwinkels der Verdichterleitschaufeln eines Gasturbinentriebwerks in Abhängigkeit von einem im Strömungskanal herrschenden Druckverhältnis, mit einem ersten Druckfühler am Verdichterausgang und einem zweiten Druckfühler stromauf hiervon, wobei der Schaufelanstellwinkel bei steigendem Verdichtungsverhältnis verkleinert und bei fallendem Verdichtungsverhältnis im Sinn einer Rückstellung der Arbeitskennlinie vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druckfühler (35) stromab der den einstellbaren Leitschaufeln (30; in Strömungsrichtung nachgeschalteten Verdichterlaufschaufeln (32) in einem Bereich angeordnet ist, der durch die Einstellung der Schaufeln beeinflußt ist.