DE3124782A1

DE3124782A1 - Spaltregeleinrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE3124782A1
Application number: DE19813124782
Authority: DE
Inventors: Richard Samuel Beitler; Georg Washington Cincinnati Ohio Bennett; Frederick James Sellers
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-06-26
Filing date: 1981-06-24
Publication date: 1982-05-27
Also published as: FR2485633B1; JPS5735105A; FR2485633A1; DE3124782C2; GB2078859B; IT8122555A0; IT1137928B; US4338061A; GB2078859A; JPH02522B2

Description

Spaltregeleinrichtung und -verfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk mit. Laufschaufeln innerhalb eines Schaufelgehäuses und betrifft insbesondere eine Spaltregeleinrichtüng sowie ein Spaltregelverfahren zum Regeln des Spalts oder Spiels zwischen den Laufschaufeln und dem Schaufelgehäuse.

Moderne Gasturbinentriebwerke haben im allgemeinen eine Anzahl von Schaufel/Schaufelgehäuse-Grenzflächen oder -Schnittstellen. Beispielsweise kann ein typisches Flugzeuggasturbinentriebwerk folgende Schaufel/Schaufelgehäuse-Schnittstellen aufweisen: Fan-Schaufeln, Verdichterschaufel^ Hochdruckturbinenschaufeln und Niederdruckturbinenschaufeln. An diesen Schnittstellen ist die Spaltbreite zwischen den Laufschaufeln und .den Schaufelgehäusen ein kritischer Faktor für

die Leistungsfähigkeit von solchen Triebwerken.

Insbesondere sind unnötig breite Schaufelspalte aerodynamisch ungünstig, während kleine Schaufelspalte häufig dazu führen, daß die Schaufel reibt, was die Lebensdauer verkürzen kann. Der breite Betriebsbereich von solchen Gasturbinentriebwerken, insbesondere von Flugzeugtriebwerken, führt zu einer beträchtlichen Veränderung der Spalte, wenn sich die Betriebsbedingungen verändern. Es sind deshalb Spaltregelverfahren entwickelt worden, mit denen versucht wird, dieses Problem zu lösen.

Verfügbare Spaltregelverfahren sind zwar für gewisse Gasturbinentriebwerkszwecke akzeptabel, die Anwendung solcher Verfahren bringt jedoch häufig Probleme mit sich. Diese Probleme rühren zum großen Teil von dem breiten Bereich der Betriebszustände solcher Triebwerke her. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, daß die stationären Spalte solcher Triebwerke deren, transienten Spalten ziemlich unähnlich sind. So hat es sich gezeigt, daß ohne weiteres verfügbare Triebwerksparameter, wie die Verdichterdrehzahl oder die Gastemperatur, allein nicht geeignet sind, zur Schaufelspaltregelung herangezogen zu werden, die über dem breiten Bereich von Betriebsbedingungen solcher Triebwerke zufriedenstellende Ergebnisse erbringt.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Spaltregeleinrichtung und ein Spaltregelverfahren für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei welchen ohne weiteres verfügbare Triebwerksparameter benutzt werden und zur Berücksichtigung eines transienten Betriebes Ubersteuerungseinrichtungen vorgesehen sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Spaltregeleinrichtung und ein Spaltregelverfahren für ein Gasturbinentriebwerk, das mehrere sich radial erstreckende Laufschaufeln aufweist, die innerhalb eines relativ stationären Schaufelgehäuses drehbar angeordnet sind. Es ist eine Einrichtung vorgesehen zum Bilden eines ersten Signals, das die Isttemperatur des Gehäuses darstellt. Es ist weiter eine Einrichtung vorgesehen, die ein zweites Signal bildet, das die Gastemperatur innerhalb des Gehäuses und an den Schaufeln darstellt. Es ist ferner eine Einrichtung vorgesehen, die ein drittes Signal bildet, welches die Drehzahl der Schaufeln darstellt. Es ist ein Führungsgrößengeber vorgesehen, der das zweite und das dritte Signal empfängt und ein Sollwertausgangssignal bildet, das eine Sollgehäusetemperatur darstellt, bei der ein vorbestimmter Spalt zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse vorhanden ist. Schließlich ist eine Einrichtung vorgesehen zum Vergleichen des ersten Signals und des Sollwertausgangssignals und zum Bilden eines Spaltstellsignals, das die Differenz zwischen ihnen darstellt. Eine Ventileinrichtung empfängt das Spaltstellsignal zum Steuern eines Luftstroms zu dem Gehäuse, um den Spalt zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse zu regeln.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 im Längsschnitt eine Ausführungsform

eines Gasturbinentriebwerks, auf das sich die Spaltregeleinrichtung nach der Erfindung bezieht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines

Teils des Verdichterabschnittes des Gasturbinentriebwerks von Fig. 1,

Fig. 3 ein Funktionsblockschaltbild, das eine Aus-

führungsform der Spaltregeleinrichtung nach der Erfindung zeigt,

Fig. 4 ein Diagramm, das zeigt, wie sich der

Spalt d mit der Kern- oder Verdichterdrehzahl N2 für den Fall, in welchem keine Kühlströmung vorhanden ist, und für den E'all,in welchem eine maximale Kühlströmung vorhanden ist, ändert,

Fig. 5 ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Ver

dichtergehäusetemperatur TCC in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl N2 für den Fall ändert, in welchem keine Kühlströmung vorhanden ist, und für den Fall, in welchem eine maximale Kühlströmung vorhanden ist,

Fig. 6 ein Diagramm, das zeigt, wie sich der Spalt

d mit der Gehäusetemperatur TCC, der Verdichterdrehzahl· N2, der Kühlströmung und der Gaseinlaßtemperatur T25 für verschiedene Triebwerksarbeitspunkte ändert,

Fig. 7 ein Diagramm, das die Verdichtergehäusetem

peratur TCC in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl N2 und der Gaseinlaßtemperatur T25 zeigt,

Fig. 8 ein Funktionsblockschaltbild ähnlich dem

von Fig. 3, das weitere Einzelheiten einer Spaltregeleinrichtung nach der Erfindung zeigt,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Teils

des Hochdruck- und des Niederdruckturbinenabschnittes des Gasturbinentriebwerks von Fig. 1 und

Fig. 10 und 11 Funktionsblockschaltbilder ähnlich dem von

Fig. 3, die Ausführungsformen der Spaltregeleinrichtung nach der Erfindung bei Verwendung in Verbindung mit einer Hochdruckturbine bzw. einer Niederdruckturbine zeigen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichneten Gasturbinentriebwerks, auf das sich die Erfindung bezieht. Das Triebwerk 10 enthält ein Kerntriebvjerk 12, das in Strömungsrichtung hintereinander einen Axialverdichter 14, einen Brenner 16 und eine Hochdruckturbine 18 enthält. Die Hochdruckturbine 18 steht über eine Hochdruckturbinenwelle 22 in Antriebsverbindung mit dem Verdichter 14. Das Triebwerk 10 enthält außerdem ein Niederdrucksystem, das eine Niederdruckturbine 20 enthält. Die Niederdruckturbine 20 steht über eine N.iederdruckturbinenwelle 24 in Antriebsverbindung mit einem Fan 26. Eine äußere Gondel 28 ist mit Abstand von dem Kerntriebwerk 12 angeordnet, so daß zwischen diesen ein Mantelstromkänal 30 vorhanden ist.

In Fig. 2 ist ein Teil des Verdichters 14 von Fig. 1 gezeigt. Insbesondere veranschaulicht Fig. 2 die letzten fünf Stufen eines als Beispiel gewählten zehnstufigen Verdichters . Der Übersichtlichkeit halber ist das Triebwerk 10 von Fig. 1 mit weniger a'Js fünf Verdichterstufen dargestellt worden. Die Verdichterturbinenlaufschaufelstufen sind in Fig. 2 mit den Bezugszahlen 32..-32c bezeichnet. Entsprechende Verdichterleitschaufeln sind mit 34^-34,- bezeichnet. Der Verdichter 14 hat ein inne-

res Gehäuse 36, in welchem die Verdichter lauf schaufeln 32..-32c drehbar angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Rändern der Verdichterlaufschaufeln 32 und der Innenfläche des Verdichtergehäuses 36 stellt den Schaufelspalt d dar.

Ein Verteilersystem 40 bildet eine Vorrichtung zum Kühlen der Außenseite des Gehäuses 36 unter Verwendung von Luft, die aus dem Verdichter für andere Zwecke, beispielsweise zur Turbinenkühlung oder zur Steuerung der inneren Leckage, abgezapft werden kann. Diese Kühlluftströmung (vgl. den Pfeil) wird typischerweise einer Abzapföffnung an der fünften Stufe des Verdichters (nicht gezeigt) entnommen. Der Verteiler 40 empfängt einen Strom von Kühlluft über die Verdichterleitschaufel 34^ und stellt für diese Luft zwei alternative Strömungswege bereit, nämlich einen Strömungsweg 4OA und einen Um gehungsströmungsweg 4OB. Der Strömungsweg 4OA leitet die Kühlluftströmung an der Außenseite des Gehäuses 36 entlang und dann zu einem Spaltsteuerventil 42. Der an der Außenseite des Gehäuses 36 entlanggehende Kühlluftstrom kann vorteilhafterweise mit Hilfe des SpaltSteuerventils 42 verändert werden, um den Schaufelspalt d zu beeinflussen. Das.Spaltsteuerventil 42 kann ein herkömmliches Luftdurchflußventil zum Steuern des Luftdurchflusses sein. Beispielsweise kann das Ventil 42 ein Element aufweisen, welches für eine Drosselung in den Strömungswegen 4OA, 4OB sorgt. In einer Ausführungsform ändert sich das Ausmaß der Drosselung in dem Strömungsweg 40A im umgekehrten Verhältnis zu dem Ausmaß der Drosselung in dem Strömungsweg 4OB. Für gewisse Verwendungszwecke kann die von dem Spaltsteuerventil 42 abgegebene Kühlströmung 4 2X für andere Zwecke als zur Spaltsteuerung benutzt werden, beispielsweise für Spülzwecke. Weitere Einzelheiten über ein Verteilersystem zur Spaltsteuerung sind in der deutschen Patentanmeldung P 30 28 137.9 angegeben.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Spaltrege.1-einrichtung 50 vorgesehen, die ein erwünschtes Spaltsteuer- oder Ventilstellsignal 5OS zum Betätigen des Spaltsteuerventils 42 bildet. Fig. 3 zeigt weitere Einzelheiten einer Ausführungsform der Regeleinrichtung 50 von Fig. 2.

In der Regeleinrichtung 50 von Fig. 3 stellt das Spaltsteuersignal 5OS die Differenz zwischen der Isttemperatur des Verdichtergehäuses 36, die mit TCC bezeichnet ist, und einer Sollgehäusetemperatur dar, die mit TCC bezeichnet ist und bei der ein vorbestiminter Schaufelspalt d bei stabilen Zuständen vorhanden ist. Insbesondere ist ein Führungsgrößengeber 51 vorgesehen, der ein erstes Signal 51A empfängt, das eine mit T25 bezeichnete Gastemperatur innerhalb des Gehäuses 36 und an den Laufschaufeln 32 darstellt, und ein mit N2 bezeichnetes zweites Signal 51B, das die Kerntriebwerks- oder Verdichterdrehzahl darstellt. Der Führungsgrößengeber 51 verarbeitet diese Eingangssignale und bildet dann auf eine Weise, die weiter unten noch ausführlicher erläutert ist, ein Führungsgrößen- oder Sollwertausgangssignal 51S, das eine Sollgehäusetemperatur TCC darstellt, bei der ein vorbestimmter stabiler Spalt d vorhanden ist.» Ein Vergleicher 52 empfängt das Sollwertausgangssignal 51S, das die Sollgehäusetemperatur TCC darstellt, und ein zweites Signal 54, das die mit TCC bezeichnete Isttemperatur des Verdichtergehäuses darstellt. Der Vergleicher 52 bildet dann das Ausgangssignal 50S, welches die Differenz zwischen der Istgehäusetemperatur TCC und der Sollgehäusetemperatur TCC darstellt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 52 stellt das Stellsignal 5OS für das Spaltsteuerventil 42 dar, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Für gewisse Verwendungszwecke kann das Stellsignal 5QS weiter verarbeitet und dann an das Ventil 42 angelegt werden, was vielter unten noch näher erläutert ist.

Die Signale, die die Verdichterdrehzahl N2 und eine Verdichtereinlaßtemperatur T25 darstellen, sind Signale, die üblicherweise bei einem Flugzeugtriebwerk verwendet werden. Insbesondere wird die Verdichterdrehzahl N2 einfach über eine elektromagnetische Drehbewegungsabfühlvorrichtung erhalten. Die Verdichtereinlaßtemperatur T25 und die Verdichtergehäusetemperatur TCC können einfach über elektrische Widerstandstermometer oder Temperaturabfühlvorrichtungen erhalten werden, wie sie häufig bei Entwicklungstests von Gasturbinentriebwerken benutzt werden.

Beispiele für Orte zum Abfühlen der Verdichtergehäusetemperatur TCC und der Gastemperatur T25 sind in Fig. 1 an Stellen A bzw. B gezeigt. Es hat sich herausgestellt, daß eire: Kombination der drei oben erwähnten Variablen, d.h. der Verdichterdrehzahl N2, der Einlaßlufttemperatur T25 und der Verdichtergehäusetemperatur TCC, eine ausgezeichnete Anzeige über einen stabilen Spalt d liefert, woraus ein erwünschter Gehäusekühlluftplan oder eine Gehäusekühlluftführungsgröße bequem gebildet werden kann. Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Spaltregeleinrichtung nach der Erfindung werden die Fig. 4-7 betrachtet, die eine Anzahl wichtiger Bez iehungen ζ e igen.

Fig. 4 zeigt den Schaufelspalt d in Abhängigkeit von der Kerntriebwerks- oder Verdichterdrehzahl N2 sowohl für Kühlung als auch für Nichtkühlung des Verdichtergehäuses 36. Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Verdichtergehäuseteinperatur TCC und der Kerntriebwerks- oder Verdichterdrehzahl N2 für den Fall der Nichtkühlung und für den Fall der Kühlung. Fig. 6 zeigt als Kombination der Diagramme von Fig. 4 und 5 den Spalt d in Abhängigkeit von der Gehäusetemperatur TCC, der Kerntriebwerks- oder Verdichterdrehzahl N2 und der Gastemperatur T25.

In Fig. 6 ist der Spalt d in Abhängigkeit von der Verdichtergehäuse temperatur TCC für eine Anzahl von Arbeitspunkten gezeigt, nämlich für Leerlauf, minimale Reisefluggeschwindigkeit, maximale Reisefluggeschwindigkeit und Start.

Auf der Leerlaufgeschwindigkeitskurve stellt der Punkt A eine minimale Kühlströmung dar, während der entgegengesetzte Punkt B eine maximale Kühlströmung darstellt. Wenn daher bei Leerlaufgeschwindigkeitsbedingungen die Kühlströmung über das Spaltsteuerventil 42 von einem Minimum auf ein Maximum erhöht wird, verändert sich der Spalt d von einem Maximalwert auf einen Minimalwert, während gleichzeitig sich die Gehäusetemperatur TCC auf vorbestimmte Weise ändert. Diese Veränderung der Gehäusetemperatur TCC auf eine solche vorbestimmte Weise v;ird bei der Erfindung ausgenutzt, um den Sollspalt d für verschiedene Arbeitspunkte zu erhalten. Beispielsweise ist am Startpunkt des Betriebes jeder bestimmte Spalt d gegeben , wenn sich die Gehäusetemperatur TCC zwischen dem Punkt A minimaler Kühlströmung und dem Punkt B maximaler Kühlströmung ändert.

Die Gehäusetemperatur TCC kann daher in Verbindung mit der Verdichterdrehzahl N2 benutzt werden, um einen durchgehenden Bereich von Sollbetriebsschaufelspalten d planmäßig, d.h. als Führungsgröße festzulegen. Insbesondere ist es häufig erwünscht, einen minimalen Betriebsspalt d.. für den Start und für den Reiseflugbetrieb, auf den die meiste Flugzeit des Flugzeugtriebwerks entfällt, vorzusehen, dagegen aber größere Spalte bei einem Betrieb unterhalb einer vorbestimmten Mindestreisefluggeschwindigkeit vorzusehen, um so die Gefahr von Reibberührungen des Läufers beim späteren Beschleunigen zu verringern. Ein Plan oder eine Führungsgröße, wie sie mit gestrichelten Linien in Fig. 6 gezeigt ist, kann daher vorgesehen werden, um einen Sollspaltverlauf einzustellen. Die Kennlinien von Fig. 6 ändern sich außerdem in Abhängigkeit

von der Gastemperatur, z.B. T25. Insbesondere verursachen erhöhte Gastemperaturen jeweils eine Verschiebung der Kennlinien nach rechts, während niedrigere Gastemperaturen jeweils eine Verschiebung der Kennlinien nach links verursachen, wie es für die Startkennlinie dargestellt ist.

In Fig. 7 ist die Verdichtergehäusetemperatur TCC in Abhängigkeit von der Kerntriebwerks- oder Verdichterdrehzahl N2 und der Gaseinlaßtemperatur T25 gezeigt. Die Kurve von Fig. 7 stellt eine Verdichtergehäusetemperaturführungsgröße dar, die bei der Erfindung benutzt wird, um das Spaltsteuerventil 42 von Fig. 2 und 3 zu betätigen. Insbesondere entspricht die auf der Ordinate aufgetragene und als Funktion der Gaseinlaßtemperatur T25 dargestellte Verdichtergehäusetemperatur TCC dem Sollwertausgangssignal 51S von Fig. 3 und stellt eine Sollgehäusetemperatur TCC dar, bei der der vorbestimmte Spalt d über einem vollen Bereich der Drehzahl N2 im Triebwerksbetrieb vorhanden ist.

Für einige Verwendungszwecke kann die Gehäusetemperaturführungsgröße modifiziert werden. Beispielsweise kann für die Gehäusetemperaturführungsgröße ein Höhenmodifizierer vorgesehen sein, der den Höhendruck auf herkömmliche Weise abfühlt und dann die Führungsgröße so einstellt, daß sich erwünschte Spalte ergeben. Insbesondere kann der minimale Spalt in den Flugzuständen eingestellt werden, auf die die meiste Flugzeit entfällt, während ansonsten größere Spalte eingestellt werden, um einen zusätzlichen Spielraum für das Vermeiden von Reibberührungen für Übergangsvorgänge und Flugmanöver zu schaffen.

Die in den Fig. 4-7 dargestellten Kennlinien gelten zwar für einen Gasturbinenverdichterabschnitt, andere Läufer/Leitrad-Kombinationen, z.B. Niederdruck- und Hochdruckturbinenabschnitte, weisen jedoch ähnliche Kennlinien auf.

Fig. 8 zeigt die insgesamt mit 60 bezeichnete Ausführungsform der Spaltregeleinrichtung von Fig. 3 ausführlicher. Die Regeleinrichtung 60 von Fig. 8 gleicht in vieler Hinsicht der Regeleinrichtung 50 von Fig. 3, so daß, wo immer möglich, gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher Teile benutzt worden sind.

Ein Führungsgrößengeber 51 ist vorgesehen, um Eingangssignale zu empfangen, die die Kerntriebwerks- oder Verdichterdrehzahl N2 und die Gaseinlaßtemperatur T25 darstellen. Der Führungsgrößengeber 51 arbeitet auf die oben mit Bezug auf die Fig. 4-7 beschriebene Weise und bildet ein Sollwertausgangssignal 51S. Das Sollwertausgangssignal 51S stellt, wie oben erwähnt, eine Sollgehäusetemperatur TCC dar, bei der ein vorbestimmter Spalt d vorhanden ist. Der Vergleicher 52 empfängt das Sollwertausgangssignal 51S und ein Signal 54, das die Istverdichtergehäusetemperatur darstellt. Der Vergleicher 52 bildet ein Ausgangssignal 52S, das die Differenz zwischen den Signalen 51S und 54 darstellt und als Gehäusetemperaturfehlersignal 52S bezeichnet werden kann. Das Fehlersignal 52S entspricht dem Spaltsteuer- oder Venti] Stellsignal 5OS von Fiq. 3.

Das Temperaturgehäusefehlersignal 52S wird an ein Steuer- und Stabilisierungsnetzwerk angelegt, das einen Zeitintegrator 56, eine dynamische !Compensations- und Multipliziereinrichtung 58 und eine Summiereinrichtung 59 enthält. Dieses Netzwerk sorgt für ein herkömmliches PI-Verhalten zwischen dem Gehäusefehlersignal 52S und dam Summierausgangssignal 59S. Die Summiereinrichtung 59 bildet also ein Äusgangssignal 59S, das die Summe eines zeitintegrierten Fehlersignals 56S und eines dynamisch kompensierten Fehlersignals 58S darstellt. Für viele Triebwerks zwecke kann das Summi<arausgangssignal 59S benutzt werden, um das Steuerventil 42 zur Steuerung der Kühlluftströmung zu dem Gehäuse 36 zu betätigen.

• Die Regeleinrichtung 60 enthält weiter eine Ubersteuerungseinrichtung zum Erfüllen zusätzlicher transienter Bedürfnisse. Insbesondere ist eine Verlangsamungsübersteuerungsein-richtung 70 vorgesehen, um Reibberührungen zu vermeiden, wenn das Triebwerk wieder beschleunigt wird, bevor die Läufer auf ihren stabilen Temperaturwert abkühlen. Die Verlangsamungsübersteuerungseinrichtung 70 empfängt das integrierte und dynamisch kompensierte Summierungsausgangssignal 59S sowie das Temperaturfehlersignal 52S. Die Verlängsamungsübersteuerungseinrichtung 70 empfängt außerdem ein Signal 51A, das die mit N2 bezeichnete zeitliche Änderung der Verdichterkerndrehzahl darstellt. Die Übersteuerungseinrichtung 70 bildet ein Ausgangssignal 70S, welches das Spaltsteuerventil 42 veranlaßt, die Gehäusekühlströmung zu verringern, beispielsweise abzuschalten, wenn der Verdichterlaufer langsamer wird oder ausläuft, und die Strömung abgeschaltet zu halten,bis die Temperatur des Verdichtergehäuses auf einen Wert abgenommen hat, der gleich der Führungsgröße plus einer vorbestimmten Differenz, die das NichtVorhandensein der Kühlung berücksichtigt, ist, oder wenn das Triebwerk wieder beschleunigt. Unter anderen Bedingungen wird das Summierungsausgangssignal 5 9S durch die Verlangsamungßübersteuerungseinrichtung 70 nicht beeinflußt.

Es kann eine weitere Ubersteuerungseinrichtung 80 vorgesehen sein, um den Ubergangszustand zu berücksichtigen, in welchem im Anschluß an eine Beschleunigung die Gehäusekühlluft wärmer als das Gehäuse sein kann. Wenn dieser Ubergangszustand auftritt, bildet die Ubersteuerungseinrichtung 80 ein Ausgangssignal 80S_r welches bewirkt, daß das Steuerventil 4 2 offen bleibt. In diesem Fall wird daher die Luft, die nun Heizluft ist, eingeschaltet, um den Spalt vorübergehend zu vergrößern, damit eine Reibberührung in dem Ubergangszustand vermieden wird. Das erfolgt durch Vergleichen eines Signals 54, das die Isttemperatur TCC des Verdichtergehäuses darstellt,

mit einem Signal 82, das die Temperatur der Kühlluftströmung darstellt. Dieser Vergleich kann durch einen Vergleicher 84 angestellt werden, der ein Vergleicherausgangssignal 84S bildet, welches an die Übersteuerungseinrichtung 80 angelegt wird. Das Kühlluftströmungstemperatursignal 82 kann, beispielsweise, durch eine Recheneinrichtung 86 gebildet werden, die als Eingangssignal ein Signal T3 und ein Signal T25 empfängt, welche die Verdichterauslaß- bzw. die Verdichtereinlaßlufttemperatur darstellen. Die Ubersteuerungseinrichtung 80 bildet daher ein Ein- oder Offensignal 80S zum Eingeschaltet- oder Offenhalten des Steuerventils 42 immer dann, wenn die Temperatur der Kühlluftströmung größer als die Temperatur des Verdichtergehäuses ist» Zu anderen Zeiten wird die durch das Summierungsausgangssignal 59S gelieferte Information durch die Übersteuerungseinrichtung 80 nicht beeinflußt.

Das Ausgangssignal 80S der Ubersteuerungseinrichtung 80 kann an einen Positionsregelkreis 90 angelegt werden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Der Positionsregelkreis 90 kann, beispielsweise, einen Rückführungsvergleicher 92, einen Stellantrieb 94, das Spaltsteuerventil 42 und einen Positions- ■ fühler 96 enthalten- Der Rückführungsvergleicher 92 empfängt das Ausgangssignal 80S und liefert ein Ausgangssignal 92S, das an den Ventilstellantrieb 94 angelegt wird. Das Ausgangssignal 94S des Ventilstellantriebs 94 betätigt das Spaltsteuerventil 42. Das Ausgangssignal 94S des Stellantriebs 94 gleicht dem Spaltstellsignal 5OS von Fig. 2 und 3. Ein Ventilpositionsrückführungssignal 92F wird an oder nahe dem Spaltsteuerventil 42 gebildet und an den Positionsfühler 96 angelegt. Der Positionsfühler 96 liefert ein Positionsfühlerausgangssignal 96S, das zu dem Rückführungsvergleicher 92 zurückgeführt wird und so zur Regelung des Spaltsteuerventils 42 dient.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Gehäusetemperatur relativ langsam auf Änderungen im Triebwerksbetriebszustand anspricht. Dieses Verhalten ist erwünscht, weil es die Wahrscheinlichkeit verringert, daß im Ubergangszustand Reibberührungen auftreten. Wenn eine Beschleunigung durchgeführt wird, benötigt nämlich das Gehäuse mehrere Minuten, um einen stabilen Temperaturzustand zu erreichen. Während eines großen Teils dieser Stabilisierungsperiode wird die Gehäusetemperatur niedriger sein als die Sollgehäusetemperatur, so daß die Führungsgröße das Abschalten.der Kühlluft bewirkt. Das führt zu vorübergehenden Spaltvergrößerungen, die helfen, Läuferreibberührungen während Manövern zu verhindern, beispielsweise beim Einleiten des Drehens zum Start oder zum Steigen, woran sich häufig eine Triebwerksbeschleunigung anschließt.

Die Spaltregeleinrichtung nach der Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf Laufschaufeln in einem Verdichterabschnitt beschrieben worden, sie ist jedoch allgemein bei jeder rotierenden Schaufel anwendbar, die innerhalb eines relativ stationären Schaufelgehäuses angeordnet ist. Weiter kann das Schaufelgehäuse ein Gehäuse umfassen, wie es oben beschrieben ist, oder ein Zwischengebilde, das seinerseits mit einem Gehäuse mechanisch verbunden ist. Beispielsweise kann das relativ stationäre Schaufelgehäuse Schaufelummantelungen umfassen, die mit einem Gehäuse verbunden sind.

Fig. 9 zeigt einen Teil des Hochdruck- und des Niederdruckturbinenabschnittes von Fig. 1. Die Hochdruckturbine 18 ist, wie dargestellt, eine zweistufige Turbine, während die Niederdruckturbine 20, wie dargestellt, eine fünfstufige Turbine ist. Es sind deshalb Hochdruckturbinenlaufschaufeln 18.., 18., und Niederdruckturbinenlaufschaufeln 20.-20,- gezeigt. Das Gehäuse der Hochdruckturbine ist mit 100 bezeichnet, während

das Gehäuse der Niederdruckturbine mit 102 bezeichnet ist. Ummantelungen 100S, 102S sind mit den Gehäusen 100 bzw. 102 verbunden, so daß ihre Position in bezug auf die Schaufelränder durch die Position der Gehäuse 100, 102 in bezug auf die Schaufelränder festgelegt ist. Der Spalt zwischen den Laufschaufeln und den Ummantelungen ist mit d bezeichnet. Ventilsteuereinrichtungen 104H und 104L steuern getrennt den Strom von Kühlluft, ζ.B. Fan-Luft, zu dem Hochdruckturbinengehäuse 100 und dem Niederdurckturbinengehäuse 102. Die Ventile 104H und 104 L gleichen dem Spaltsteuerventil 42 von Fig. 3. Kühlluft, z.B. Fan-Luft, wird über eine Leitung 106A und über Zweigleitungen 106B und 106C zu den getrennten Steuerventilen 104H und 104L geleitet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden an die Ventile 104H und 1041.

von Fig. 9 Spaltsteuerventilsignale 108H bzw. 108L angelegt.

In Fig. 10 ist.eine Ausführungsfom der Regeleinrichtung für die Hochdruckturbinenspaltregelung insgesamt mit 120 bezeichnet. Die Regeleinrichtung 120 enthält einen Führungsgrößengeber 51, der dem oben beschrieben Führungsgrößenregler gleicht und Eingangssignale empfängt, die die Drehzahl und die Gastemperatur darstellen. Beispielsweise können die Verdichterdrehzahl N2 und die Verdichterauslaßtemperatur T3 benutzt werden. Der Führungsgrößengeber 51 liefert dann sein Sollwertausgangssignal 51S, das die Sollhochdruckturbinengehäusetemperatur THPT' darstellt, bei der ein vorbestimmter stabiler Spalt vorhanden ist. Ein Vergleicher 52 empfängt das Sollgehäusetemperatursignal 51S und ein die Istturbinengehäusetemperatur THPT darstellendes Signal 54 und liefert ein die Differenz zwischen denselben darstellendes Ausgangssignal 108H_f wie in der Regeleinrichtung 50 von Fig. 3.

Fig. 11 zeigt eine insgesamt mit Bezugszahl 130 bezeichnete Regeleinrichtung zum Regeln des Spalts in der Niederdruckturbine 20, die der Regeleinrichtung der Fig. 3 und 10 gleicht,

mit der Ausnahme, daß eine Anzahl von Eingangssignalen geändert worden ist. Insbesondere empfängt die Regeleinrichtung 130 Signale, die Niederdruckturbinendrehzahlen darstellen, z.B. N1, und die Gastemperatur, z.B. T3, und liefert eine Sollniederdruckturbinengehäusetemperatur 51S, bei der der vorbestimmte Spalt vorhanden ist. Die Regeleinrichtung 130 vergleicht dann die Sollniederdruckturbinengehäusetemperatur TLPT¹, Signal 51S, mit der Istniederdruckturbinengehäusetemperatur TLPT, Signal 54, um das Stellsignal 108L zu bilden.

Die obige Beschreibung der Verdichterspaltregeleinrichtung nach der Erfindung gilt auch sowohl für die Hochdruckturbinenregeleinrichtung als auch für die Niederdruckturbinenregeleinrichtung .

Ein wichtiger Vorteil der Spaltregeleinrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß die Regelung der Gehäusetemperatur einen erwünschten Verlauf der Spaltregelung über einem großen Bereich von Betriebszuständen ergibt. In diesem Zusammenhang hat es sich erwiesen, daß die Verwendung der Gehäusetemperatur in engerer Beziehung zu dem Spalt steht als im Stand der Technik benutzte Parameter.

Es ist allgemein erwünscht, daß die variablen Parameter, die in der Regeleinrichtung nach der Erfindung benutzt werden, auf die zu regelnden Laufschaufelspalte gerichtet sind. Beispielsweise ist es allgemein erwünscht, daß das Gastemperaturparametereingangssignal an einem Punkt entnommen wird, der sich nahe bei den betreffenden Laufschaufeln befindet. Unter dem Begriff "nahe" ist in diesem Zusammenhang ein Punkt in dem inneren Triebwerksströmungsweg zu verstehen, der in enger Beziehung zu der Temperatur des betreffenden Läufers und der betreffenden Laufschaufeln steht.

Für einige Verwendungszwecke kann es erwünscht sein, wie oben vorgeschlagen, repräsentative Werte der verschiedenen Parameter zu wählen, die in der Regeleinrichtung nach der Erfindung benötigt werden. Der Zweckmäßigkeit halber kann es insbesondere erwünscht sein, die Kerntriebwerks- oder Verdichterdrehzahl N2 als einen Parameter selbst dann zu verwenden, wenn es sich um den Hochdruckturbinenabschnitt handelt. Ebenso kann es erwünscht sein, die Verdichterauslaßtemperatur zu benutzen, wenn es sich um die Spaltregelung der Hochdruckturbine handelt, in einigen Fällen kann es jedoch zum Ausnutzen solcher Zweckmäßigkeiten notwendig sein, die vorbestimmte Führungsgröße zu verstellen, damit die Tatsache berücksichtigt wird, daß die Parameter nicht an dem genauen Punkt entnommen werden, an welchem sich der Spalt von besonderen Laufschaufeln befindet. In diesem Zusammenhang ist die als Beispiel gewählte zweistufige Hochdruckturbine 18 von Fig. 8 als über ein einziges Steuerventil 104H gesteuert dargestellt. Das kann durch eine einzige Gruppe von Eingangsparametern erreicht werden, wie es oben beschrieben ist. Bei der als Beispiel gewählten fünfstufigen Niederdruckturbine 20 können ebenfallt; alle zweckmäßigen Drehzahl- und Temperaturparameter benutzt werden, und diese Parameter können zweckmäßigen Stellen entnommen werden. Es kann jedoch, wie oben erwähnt, bei einigen Verwendungszitfecken notwendig sein, die erforderlichen Verstellungen des vorbestimmten Führungsgrössenverlaufes vorzunehmen, damit die Tatsache berücksichtigt . wird, daß die Parameter nicht an demjenigen Punkt abgefühlt werden, an welchem der Spalt zu regeln ist. Weiter kann bei Bedarf die Erfindung eine gesonderte Spaltmessung und -regelung für jede Stufe irgendeines dieser LaufschaufelabschniLte beinhalten.

Der oben und in den Ansprüchen verwendete Begriff "Signal" kann eine physikalische Information, wie beispielsweise die Bewegung eines mechanischen Gestänges o.dgl., oder eine elek-

trische Information, wie beispielsweise eine Spannung und/ oder einen Strom, bedeuten.

Leerseite

Claims

rer, not. Horst Schüler PATENTANWALT

0000 Frankfurt/Main 1, 21..Jimi Kaiserstraße 41 Vo . /lit;.

telefon (0611) 23 55 55
lelex: 04-16/59 mupat ti
t'oslsclieck-Konto: 282420-602 Frankfuct-M Bankkonto: 225/0389

Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

8688-13DV-7818

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y./ü.S.A.

Patentansprüche :

M J Spaltregeleinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk (10) mit mehreren sich radial erstreckenden Laufschaufeln (32), die innerhalb eines relativ stationären Schaufelgehäuses (36) drehbar angeordnet sind, zum Steuern eines Luftstroms zu dem Gehäuse, um den Spalt zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse zu regeln, gekennzeichnet durchs

a) eine Einrichtung zum Bilden eines ersten Signals (54), das die Isttemperatur (TCC) des Gehäuses (36) darstellt;

b) eine Einrichtung zum Bilden eines zweiten Signals (51A)„ das die Gastemperatur (T25) innerhalb des Gehäuses und nahe den Schaufeln (32) darstellt;

c) eine Einrichtung zum Bilden eines dritten Signals (51B), das die Drehzahl (N2) der Schaufeln (32) darstellt;

d) einen Führungsgrößengeber (51) zum Empfangen des zweiten und des dritten Signals (51A, 51B) und zum Bilden eines Sollwertausgangssignals (51S) , das eine Sollgehäusetemperatur (TCC) darstellt, bei der ein vorbestimmter Spalt (d) vorhanden ist;

e) eine Einrichtung (52) zum Vergleichen des ersten Signals (54) und des Sollwertausgangssignals (51S) und zum Bilden eines Spaltstellsignals (52S) , das die Differenz zwischen ihnen darstellt; und

f) eine Ventilvorrichtung (42) , die zum Steuern der Luftströmung zu dem Gehäuse (36) das Spaltstellsignal empfängt.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk (10) einen Verdichterabschnitt (14) enthält, wobei die Schaufeln die Verdichterschaufeln (32) sind und das Gehäuse ein Verdichtergehäuse (36) ist.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal (54) die Isttemperatur (TCC) des Verdichtergehäuses (36) darstellt und daß das dritte Signal (51B) die Verdichterschaufeldrehzahl (N2) darstellt.
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal (51A) die Verdichtereinlaßtemperatur (T25) darstellt.
5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch wenigstens eine Übersteuerungseinrichtung (70, 80) zum Berücksichtigen von Ubergangsbetriebszuständen des Triebwerks (10).
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ubersteuerungseinrichtung eine Verlangsamungsübersteuerungseinrichtung (70) enthält, die auf die Verdichter-

drehzahl (N2) anspricht, um die Ventilvorrichtung (42) zu veranlassen, die Luftströmung zu dem Gehäuse (36) zu verringern, wenn eine vorbestimmte Verlangsamung auftritt.
7. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ubersteuerungseinrichtung eine Lufttemperaturübersteuerungseinrichtung (80) enthält, die auf die Temperatur der Luftströmung anspricht, um die Ventilvorrichtung (42) zu veranlassen, die Luftströmung zu dem Gehäuse (36) zu steigern, wenn die Luftströmungstemperatur die Isttemperatur (TCC) des Verdichtergehäuses (36) übersteigt.
8. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk (10) einen Hochdruckturbinenabschnitt (18) enthält, wobei die Schaufeln die Hochdruckturbinenschaufeln (18., 18₂) sind und wobei das Gehäuse ein Hochdruckturbinengehäuse (100) ist.
9. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk (10) einen Niederdruckturbinenabschnitt (20) enthält, wobei die Schaufeln die Niederdruckturbinenschaufeln (20..-2O₅) sind und wobei das Gehäuse ein Niederdruckturbinengehäuse (102) ist.
10. Regeleinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Übersteuerungseinrichtungen (70, 80) zum Berücksichtigen von Übergangsbetriebszuständen des Triebwerks (10).
11 . Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk ein Plugzeugtriebwerk (10) ist.
12. Verfahren zum Regeln des Spalts zwischen sich radial erstreckenden Schaufeln und einem relativ stationären Schaufelgehäuse, in welchem die Schaufeln drehbar angeordnet sind,

bei einem Gasturbinentriebwerk durch Steuern eines Luftstroms zu dem Gehäuse, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Bilden eines ersten Signals, das die Isttemperatur des Gehäuses darstellt;

b) Bilden eines zweiten Signals, das die Gastemperatur innerhalb des Gehäuses und nahe den Schaufeln darstellt;

c) Bilden eines dritten Signals, das die Drehzahl der Schaufeln darstellt;

d) Schaffen eines Führungsgrößengebers, der das zweite und das dritte Signal empfängt und ein Sollwertausgangssignal liefert, das eine Sollgehäusetemperatur darstellt, bei der ein vorbestimmter Spalt vorhanden ist;

e) Anlegen des zweiten und des dritten Signals an den Führungsgrößengeber und Bilden des Sollwertausgangssignals;

f) Vergleichen des ersten Signals und des Sollwertausgangssignals und Bilden eines Spaltstellsignals, das die Differenz zwischen ihnen darstellt; und

g) Anlegen des Spaltstellsignals an ein Spaltsteuerventil zum Steuern der Luftströmung zu dem Gehäuse.