DE3224113A1 - Verfahren und anordnung zum foerdern eines pumpzustands in einem stroemungsabrisszustand befindlichen gasturbinentriebwerk - Google Patents
Verfahren und anordnung zum foerdern eines pumpzustands in einem stroemungsabrisszustand befindlichen gasturbinentriebwerkInfo
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Description
Verfahren und Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in
einem im Stromungsabrißzustand befindlichen Gasturbinentriebwerk
Die Erfindung bezieht sich auf das Rückbilden des Strömungsabrisses in einem Gasturbinentriebwerk und betrifft insbesondere
ein Verfahren und eine Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Stromungsabrißzustand befindlichen
Triebwerk, um während des Pumpzustands die Strömungsabrißursache zu beseitigen und das Triebwerk wieder, seinen normalen
Betrieb aufnehmen zu lassen.
Eine typische Gasturbine hat einen Einlaßteil zum Einsaugen von Umgebungsluft. Diese Luft wird anschließend durch einen
Axialverdichter verdichtet und zu weiteren Stufen des Gasturbinentriebwerks geleitet. Während die Luft in dem Verdichter
verdichtet wird, bietet sie normalerweise das Bild einer anliegenden, d.h. nichtabgerissenen Strömung auf der gesamten
Länge des Verdichters. Verschiedene Strömungsabrißursa-
—2- -
chen, wie beispielsweise eine abrupte Steigerung der Brennstoffzufuhr
zu der Brennkammer, können jedoch zu einem materiellen Zerreißen eines solchen Bildes nichtabgerissener
Strömung führen, wodurch ein Bild abgerissener Strömung erzeugt wird, das durch einen hohen Grad an Turbulenz gekennzeichnet
ist. Ein Gasturbinentriebwerk, das einer Strömungsabrißursache ausgesetzt ist, arbeitet dann im Strömungsabrißzustand.
In diesem Zustand fällt die Ausgangsleistung des Triebwerks beträchtlich ab. Das Verhalten des Triebwerks nach
dem Strömungsabriß kann entweder durch einen Pumpzustand oder durch einen Nichtpumpzustand gekennzeichnet sein. Ein
"Pumpzustand" (surge condition) ist ein Zustand nach dem Strömungsabriß, in
welchem ein Triebwerk ständig zwischen normalem Betrieb und einem Strömungsabrißbetrieb wechselt. Dagegen ist ein Nichtpumpzustand
ein Zustand, in welchem das Triebwerk bestrebt ist, in einer Drehströmungsabrxßbetriebsart zu arbeiten.
Schwierigkeiten können sich ergeben, wenn ein Gasturbinentriebwerk
in den Strömungsabrißzustand kommt und allein in einem Nichtpumpzustand arbeitet. Eine erste Schwierigkeit
besteht darin, daß gewartet werden muß, bis das sich im Strömung sabrißzustand befindliche Gasturbinentriebwerk wieder die
normale Ausgangsleistung gewinnt, während eine Bedienungsperson des Triebwerks veranlaßt, daß das Triebwerk abgeschaltet
und erneut gestartet wird. Die Dauer dieses Wartens kann gefährlich lang sein, wenn ein im Strömungsabriß befindliches
Triebwerk die Antriebsvorrichtung eines Flugzeuges ist.
Eine weitere Schwierigkeit besteht bei einem im Strömungsabriß befindlichen Gasturbinentriebwerk, das in einem Nichtpumpzustand
arbeitet, darin, daß es überhitzt und dadurch dessen Turbinenstufe beschädigt werden kann. Zu einer solchen
überhitzung kann es kommen, weil der Verdichter eines im Strömungsabrißzustand befindlichen Gasturbinentriebwerks
weniger Luft als normal über den Einlaßteil des Triebwerks
ansaugt. Währenddessen kann die Brennerstufe des Triebwerks ständig eine große Wärmemenge der nun verringerten Luftströmung,
die durch sie hindurchgeht, hinzufügen. Infolgedessen kann eine große und zerstörerische Wärmemenge der Turbinenstufe
eines im Strömungsabriß befindlichen Gasturbinentriebwerks zugeführt werden.
Im Stand der Technik ist erkannt worden, daß das Vorhandensein eines Pumpzustands im Anschluß an den Beginn eines
Strömungsabrisses in einem Gasturbinentriebwerk erwünscht ist, weil die Ursache für den Strömungsabriß während des
Pumpzustands beseitigt und dadurch das Triebwerk in die Lage versetzt werden kann, auf einfache Weise seinen normalen
Betrieb wieder aufzunehmen; vgl. z.B. E.M. Greitzer, "Surge and Rotating Stall in Axial Flow Compressors; Theoretical
Compression System Model", Transactions of the ASME, J.Engrg. for Power, Band 98, Nr. 2, April 1976, S. 190-198, insbesondere
S. 190. Der Stand der Technik, wie er beispielsweise in
dem vorgenannten Aufsatz angegeben ist, lehrt jedoch, daß die Förderung eines Pumpzustands in einem im Strömungsabrißzustand
befindlichen Triebwerk in den Bereich des Triebwerkskonstrukteurs fällt. Die Triebwerkskonstruktion kann zwar gewiß
helfen, zu gewährleisten, daß ein Pumpzustand in einem im Strömungsabrißzustand befindlichen Triebwerk vorhanden
ist, es wäre jedoch erwünscht, ein Verfahren und eine Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Strömungsabrißzustand
befindlichen Triebwerk zu schaffen, die bei jedem Typ von Triebwerkskonstruktion wirksam sind. Ein solches Verfahren
und eine solche Anordnung könnten in bestehenden Gasturbinentriebwerken durch Nachrüsten der Triebwerke vorgesehen
werden.
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und
eine Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Strömungsabrißzustand befindlichen Gasturbinentriebwerk zu
schaffen.
Weiter sollen ein Verfahren und eine Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Strömungsabrißzustand befindlichen
Gasturbinentriebwerk geschaffen werden, die in bestehenden Triebwerken durch Nachrüsten der Triebwerke vorgesehen
werden können.
Ferner sollen ein Verfahren und eine Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Strömungsabrißzustand befindlichen
Gasturbinentriebwerk geschaffen werden, die so berechnet sind, daß die bauliche Beanspruchung des Gasturbinentrieb
werks durch den Pumpzustand minimal ist.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der übrigen Beschreibung.
Ein Verfahren zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Strömungsabrißzustand befindlichen Gasturbinentriebwerk beinhaltet
gemäß der Erfindung folgende Schritte: Überwachen des Druckes des Brennraums des Gasturbinentriebwerks; Bestimmen
des Einsetzens eines Strömungsabrißzustands in dem
Gasturbinentriebwerk; und Beeinflussen einer zeitlich veränderlichen Komponente eines ersten variablen Parameters des Gasturbinentriebwerks
im wesentlichen in Phase mit einer zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes, wodurch ein Pumpzustand in
dem Gasturbinentriebwerk gefördert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens haben die Amplituden der zeitlich veränderlichen Komponenten des ersten variablen
Parameters und des Brennraumdruckes eine vorbestimmte Beziehung zueinander, die so gewählt wird, daß die bauliche Be-
anspruchung, die auf das Gasturbinentriebwerk aufgrund der
Beeinflussung des ersten variablen Parameters ausgeübt wird,
im wesentlichen minimiert wird.
Eine Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in einem im
Strömungsabrißzustand befindlichen Gasturbinentriebwerk enthält
gemäß der Erfindung eine Einrichtung zum Überwachen des Druckes des Brennraums des Gasturbinentriebwerks, eine Einrichtung
zum Bestimmen des Einsetzens des Strömungsabrißzustands
in dem Gasturbinentriebwerk und eine Einrichtung zum Beeinflussen einer zeitlich veränderlichen Komponente eines ersten
variablen Parameters des Gasturbinentriebwerks im wesentlichen in Phase mit einer zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes,
wodurch ein Pumpzustand in dem Gasturbinentriebwerk gefördert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung haben die Amplituden der zeitlich veränderlichen Komponenten des ersten variablen
Parameters und des Brennraumdruckes eine vorbestimmte Beziehung zueinander, die so gewählt wird, daß die bauliche
Beanspruchung, die in dem Gasturbinentriebwerk aufgrund der Beeinflussung des ersten variablen Parameters ausgeübt wird,
im wesentlichen minimiert wird.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine vereinfachte, teilweise weggebro
chene perspektivische Ansicht einer Form eines Gasturbinentriebwerks zusammen
mit einem Blockschaltbild einer Anordnung zur Implementierung der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Gas
turbinentriebwerks ,
die Fig. 3-5 Diagramme verschiedener Parameter eines
Gasturbinentriebwerks, bei dem die Erfindung nicht benutzt wird und das infolgedessen
nach dem Einsetzen eines Strömungsabrisses in einen nichtpumpenden Strömungsabrißbetrieb
übergeht,
die Fig. 6-8 Diagramme von verschiedenen Parametern
eines Gasturbinentriebwerks, das in einen Strömungsabrißbetrieb übergeht, in welchem
ein Pumpzustand gemäß der Erfindung gefördert wird,
Fig. 9 eine vereinfachte und teilweise weggebro
chene perspektivische Darstellung einer Form eines Gasturbinentriebwerks zusammen
mit einem Blockschaltbild einer weiteren Anordnung zur Implementierung der Erfindung,
die Fig. 10-11 Einzelansichten einer verstellbaren Turbi-
nenleitschaufelbaugruppe des Gasturbinentriebwerks von Fig. 9,
die Fig. 12-14 Diagramme von verschiedenen Parametern
eines Gasturbinentriebwerks, bei dem die Erfindung nicht benutzt wird und das infolgedessen
nach dem Einsetzen eines Strömungsabrisses in einen nichtpumpenden Strömungsabrißbetrieb übergeht,
-is-
die Fig. 15-17 Diagramme von verschiedenen Parametern
eines Gasturbinentriebwerks, das in einen Strömungsabrißbetrieb eintritt, in welchem
ein Pumpzustand gemäß der Erfindung gefördert wird,
Fig. 18 ein Blockschaltbild, das einen anderen Ver
stärker als den in Fig. 9 gezeigten zur Implementierung einer verfeinerten Version
der Erfindung zeigt,
Fig. 19 ein Blockschaltbild, das eine bevorzugte
Implementierung von verschiedenen Einrichtungen in Fig. 1 und 9 zeigt, und
Fig. 20 ein Blockschaltbild, das eine Reihe von
Registern zeigt, die ein Register in Fig. 19 ersetzen und dadurch verschiedene weitere
Einrichtungen in Fig. 1 und 9 implementieren können.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer Form eines Gasturbinentriebwerks
20 zusammen mit einem Blockschaltbild einer Anordnung zur Implementierung der Erfindung. Das Gasturbinentriebwerk
20 hat einen Einlaßteil 21, der Umgebungsluft ansaugt. Ein Axialverdichter 22 verdichtet die durch
den Einlaßteil 21 angesaugte Luft und leitet sie zu einen Brennraum 24. Der Brennraum 24 umfaßt eine Brennkammer 25,
in der Brennstoff verbrannt wird, was durch Flammen 26 und 27 angedeutet ist. Der Brennstoff für die Verbrennung wird
Brennstoffdüsen 30 über eine Brennstoffzuführleitung 28 und
Verbindungsleitungen 31 zugeführt.
Der brennende Brennstoff 26 und 27 dient zum Erhöhen der Temperatur
des Gases innerhalb des Brennraums, das daraufhin
durch eine Turbinenleitschaufelbaugruppe 32 hindurchgeleitet wird. Die Turbinenleitschaufelbaugruppe 32 besteht aus einem
Leitschaufelkranz, der relativ zu der Längsachse des Gasturbinentriebwerks 20 feststeht. Turbinenlaufschaufelbaugruppen
34 und 35 sind mit einer Turbinenwelle 37 verbunden, die ihrerseits mit dem zentralen rotierenden Teil des Verdichters
22 verbunden ist und dieses in Drehung versetzt.
Das Blockschaltbild von Fig. 1 veranschaulicht eine Anordnung zur Implementierung der Erfindung. Eine Brennstoffzuführeinrichtung
38 liefert Brennstoff zu den Brennstoffdüsen 30 über die Brennstoffzufuhrleitungen 28 und 31. Die Brennstof
f zuführeinrichtung 38 enthält beispielsweise eine Brennstoffpumpe,
die durch ein elektrisches Signal steuerbar ist und die als solche eine herkömmliche Vorrichtung sein kann.
Bei Nichtvorhandensein eines Strömungsabrißzustands des Gasturbinentriebwerks
20 wird die Brennstoffzuführeinrichtung 38 auf herkömmliche Weise gesteuert, um den Brennstoffdüsen
30 Brennstoff zuzuführen. Nach dem Einsetzen eines Strömungsabrisses in dem Triebwerk 20 wird jedoch die Brennstoffzufuhreinrichtung
38 durch ein elektrisches Modulationssignal gesteuert, das durch eine Brennstoffzufuhrbegrenzungseinrichtung
59 geliefert wird und die herkömmliche Steuerung der Brennstoffzufuhr zu den Düsen 30 übersteuert. Ein Brennstof
fzuf uhrfühler 41 überwacht den Brennstoffdurchsatz oder die Brennstoffzufuhrleistung (im folgenden einfach als
"Brennstoffzufuhr" bezeichnet), mit der die Brennstoffdüsen
30 gespeist werden.
Der Druck innerhalb des Brennraums 24 wird durch einen Druckfühler
42 überwacht, der in dem Triebwerk 20 zweckmäßig unmittelbar stromabwärts des Verdichters 22 angeordnet ist. Der
Druckfühler 20 sollte einen Frequenzgang bis zu ungefähr 10 kHz haben, zumindest für herkömmliche Flugzeugtriebwerke,
wie sie hier beschrieben werden, und sollte die darin auftretenden Temperaturen aushalten. Der Druckfühler 42 kann
zweckmäßig durch einen Druckfühler der Reihe Kulite XTE-1-190
implementiert werden, der von der Kulite Semiconductor Products,
Inc., Ridgefield, New Jersey, hergestellt wird. Zum Abfühlen des Einsetzens eines Strömungsabrisses ist ein
Strömungsabrißfühler 43 vorgesehen, der ein elektrisches
Ausgangssignal nach einem plötzlichen Abfall des Brennraumdruckes, der durch den Druckfühler 42 abgefühlt wird, erzeugt.
Strömungsabrißfühler gehören zum Stand der Technik und ermitteln das Einsetzen eines Strömungsabrisses durch
Erkennen eines abrupten Abfalls des Brennraumdruckes oder, stattdessen,einer Zunahme der Turbinengastemperatur. Eine
Erläuterung der vorstehend erwähnten Möglichkeiten zum Ermitteln des Einsetzens eines Strömungsabrisses findet sich
in S. Drabek, "Stall Control", Symposium on Compressor Stall, Surge and System Response, dargeboten auf der Joint
Conference of the ASME Gas Turbine Power and Hydraulic Divisions, abgehalten in Houston, Texas, 6.-9. März 1960,
S. 23-26, worauf verwiesen wird. Für die Zwecke der Erfindung ist es unkritisch, wie das Einsetzen eines Strömungsabrisses
ermittelt wird, solange es ermittelt wird. Für die besonderen Gasturbinentriebwerke, die im folgenden erläutert
sind, ist ein mögliches geeignetes Kriterium zum Ermitteln des Einsetzens eines Strömungsabrisses ein abrupter Abfall
des Brennraumdruckes, nämlich ein Abfall von 10% von dessen
Wert in 5 ms.
Ein elektrisches Signal, das eine zeitlich veränderliche Komponente des Brennraumdruckes darstellt, wird durch zwei
Summiereinrichtungen 50 erzeugt. Dieses zeitlich veränderliche
Signal wird aus dem Ausgangssignal des Druckfühlers 42 und aus dem Ausgangssignal einer Einrichtung 47 gewonnen. Das
elektrische Signal aus der Einrichtung 47 enthält eine zeitlich veränderliche Komponente und eine zeitlich konstante
Komponente. Der hier verwendete Ausdruck "zeitlich veränderliche" Komponente oder "zeitlich veränderliches" Signal be-
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inhaltet die vollständigen zeitlich veränderlichen Schwankungen des betreffenden Signals oder Wertes. Eine "zeitlichveränderliche" Komponente oder ein "zeitlich veränderliches'
Signal kann darüber hinaus eine zeitlich konstante Komponente des betreffenden Signals oder Wertes enthalten. Während
des Strömungsabrisses speichert die Einrichtung 47 und gibt ständig an den negativen Eingang der Summiereinrichtung 50
ein zeitlich konstantes Signal ab, das den Wert des Brennraumdruckes beim Einsetzen eines Strömungsabrisses darstellt.
Die Einrichtung 47 erzeugt ihr Ausgangssignal auf ein Ausgangssignal aus dem Strömungsabrißfühler 43 hin. Die Summiereinrichtung
50 dient zum Entfernen einer zeitlich konstanten Komponente aus dem durch den Druckfühler 42 erzeugten Signal,
von welchem das durch die Einrichtung 47 erzeugte zeitlich konstante Signal subtrahiert wird. Das Ausgangssignal der
Summiereinrichtung 50 stellt somit ein Signal dar, das eine zeitlich veränderliche Komponente des Brennraumdruckes darstellt.
Ein elektrisches Signal, das schließlich beim Beeinflussen oder Modulieren der Brennstoffzufuhr benutzt wird, wenn die
herkömmliche Steuerung der Brennstoffzuführeinrichtung 38
nach dem Einsetzen eines Strömungsabrisses übersteuert wird, wird aus dem zeitlich konstanten Ausgangssignal einer Einrichtung
53 gewonnen, das zu dem zeitlich veränderlichen Ausgangssignal eines Regelverstärkers (d.h. eines Verstärkers
mit veränderbarer Verstärkung) 52 durch eine Summiereinrichtung 54 addiert wird. Die Einrichtung 53 überwacht das Ausgangssignal
des Brennstoffzufuhrfühlers 41 und gibt diesem
Ausgangssignal eine Verzögerung, die langer ist als das Zeitintervall
zwischen dem Auftreten einer Strömungsabrißursache und dem Einsetzen eines Strömungsabrisses. Wenn ein Strömungsabriß gemäß dem oben angegebenen Kriterium ermittelt wird,
ist eine geeignete Verzögerung größer als etwa 25 ms. Bei dem Einsetzen eines Strömungsabrisses, das durch die Einrichtung
53 über das Ausgangssignal des Strömungsabrißfühlers 43 abgefühlt wird, speichert die Einrichtung 53 den verzögerten
oder vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wert der Brennstoffzufuhr und erzeugt ein zeitlich konstantes Ausgangssignal,
das diesen Wert darstellt.
Der Regelverstärker 52 verstärkt das zeitlich veränderliche Signal aus der Summiereinrichtung 50 mit einem Verstärkungsfaktor,
der durch das Ausgangssignal eines Verstärkers 55 bestimmt wird, welcher mit einem Verstärkungssteuereingang
des Verstärkers 52 verbunden ist. Das Ausgangssignal des \ferstärkers 55 ist zu dem Ausgangssignal der Einrichtung 53,
das den Brennstoffzufuhrwert vor dem Strömungsabriß darstellt,
proportional und dient als Verstärkungssteuersignal für den Regelverstärker 52. Das zeitlich veränderliche Signal,
das durch den Verstärker 52 erzeugt wird, steht daher in einer vorbestimmten Proportionalitätsbeziehung zu dem
zeitlich veränderlichen Ausgangssignal der Summiereinrichtung 50, das den Brennraumdruck darstellt, und zu dem Brennstoff
zufuhrwert vor dem Strömungsabriß. Der Verstärkungsfaktor G des Verstärkers 55 legt den Grad der Proportionalität
zwischen dem Ausgangssignal des Verstärkers 52 (und schließlich der Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente
der modulierten Brennstoffzufuhr) und dem Brennstoffzufuhrwert
vor dem Strömungsabriß fest. Eine Prozedur zum Auswählen eines geeigneten Wertes für den Verstärkungsfaktor G ist
ausführlich weiter unten erläutert. Die Verstärkungskennlinie des Regelverstärkers 52 wird geeignet gewählt, nachdem
der Wert des Verstärkungsfaktors G des Verstärkers 55 bekannt ist, damit der Verstärker 52 ein Signal liefert, das
die Brennstoffzufuhr statt des durch das Ausgangssignal der
Summiereinrichtung 50 dargestellten Brennraumdruckes darstellt.
Das Ausgangssignal einer Summiereinrichtung 54, das schließlich beim Modulieren der Brennstoffzufuhr nach dem Einsetzen
eines Strömungsabrisses benutzt wird, kann durch eine Phasenkompensationseinrichtung 58 und zusätzlich durch die
Brennstoffzufuhrbegrenzungseinrichtung 59 weiter verarbeitet werden. Die Phasenkompensationseinrichtung 58 enthält einen
Phasenschieberkreis, der ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Phase hat, die effektiv einen zeitlichen Vorsprung gegenüber
seinem Eingangssignal aufweist. Der Begriff "eine Phase, die effektiv einen zeitlichen Vorsprung hat", umfaßt
sowohl eine Phasenvoreilung als auch einen Phasennacheilung, die etwas kleiner ist als eine vollständige Periode der
Grundfrequenz von dessen Eingangssignal. Der effektive zeitliche Vorsprung wird vorzugsweise gleich der Verzögerung
zwischen der Brennstoffzufuhr und der einsetzenden Wärmefreisetzung
in dem Brennraum 24 gewählt (im folgenden einfach als "Wärmefreisetzung" bezeichnet). Die Phasenkompensationseinrichtung
58 sollte benutzt werden, wenn diese Verzögerung relativ zu einer Periode der Grundfrequenz des Ausgangssignals
der Summiereinrichtung 54 beträchtlich ist. Mit "beträchtlicher Verzögerung" sind mehr als etwa 20% einer
Grundfrequenzperiode des Ausgangssignals der Summiereinrichtung 54 gemeint. Wenn diese Verzögerung nicht beträchtlich
ist, ist die Verwendung der Phasenkompensationseinrichtung 58 fakultativ. Wenn jedoch diese Verzögerung nicht vernachlässigbar
ist (beispielsweise, wenn sie mehr als etwa 5% einer Grundfrequenzperiode des Ausgangssignals der Summiereinrichtung
54 beträgt), gestattet die Verwendung der Phasenkompensationseinrichtung 58 die erwünschte Minimierung des
Verstärkungsfaktors G des Verstärkers 55 (die Bedeutung dessen ist weiter unten erläutert).
Die BrennstoffZufuhrbegrenzungseinrichtung 59 dient zum Begrenzen
der Brennstoffzufuhr auf einen Durchsatz, der vorzugsweise
gleich oder im wesentlichen gleich der maximalen
-f3 -
Nennbrennstoffzufuhr des Gasturbinentriebwerks 20 ist. Der
Zweck des Begrenzens der Brennstoffzufuhr auf einen solchen maximalen Nennwert ist es, das überhitzen des Triebwerks 20
zu verhindern. Die BrennstoffZufuhrbegrenzungseinrichtung
kann zweckmäßig eine Amplitudenbegrenzungsschaltung sein. Stattdessen könnte die Einrichtung 59 in der Brennstoffzufuhreinrichtung
38 enthalten sein, wie es manchmal bereits der Fall ist.
Das elektrische Ausgangssignal, das durch die BrennstoffzufUhrbegrenzungseinrichtung
59 erzeugt wird, wird nach dem Einsetzen eines Strömungsabrisses in dem Triebwerk 20 benutzt,
um einen der variablen Parameter des Triebwerks 20 zu modulieren, und zwar entweder die Brennstoffzufuhr oder
die Wärmefreisetzung in dem Brennraum 24. Die zeitlich veränderliche Komponente der Brennstoffzufuhr wird im wesentlichen
in Phase mit der zeitlich xTeränder liehen Komponente
des Ausgangssignals der Brennstoffzufuhrbegrenzungseinrichtung
59 moduliert. Gemäß der hier gebrauchten Bedeutung ist ein erstes zeitlich veränderliches Signal mit einem zweiten
zeitlich veränderlichen Signal "im wesentlichen in Phase", wenn ein Grundfrequenzanteil des ersten zeitlich veränderlichen
Signals innerhalb von plus oder minus 90° des genauen In-Phase-liegens mit einem Grundfrequenzanteil des
zweiten zeitlich veränderlichen Signals ist. Wenn die Phasenkompensationseinrichtung
58 nicht benutzt wird, kann gesagt werden, daß die zeitlich veränderliche Komponente der
Brennstoffzufuhr im wesentlichen in Phase mit der zeitlich
veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes moduliert wird, da das Ausgangssignal der Brennstoffzufuhrbegrenzungseinrichtung
59 den Brennraumdruck darstellt (mit Ausnahme des Ausmaßes, in welchem seine Größe durch die Brennstoffzufuhrbegrenzungseinrichtung
59 begrenzt wird). Wenn die Phasenkompensationseinrichtung 58 benutzt wird, um die Verzögerung
zwischen der Brennstoffzufuhr und der Wärmefreisetzung zu
kompensieren, oder wenn die Verzögerung zwischen der Brennstoffzufuhr und der Wärmefreisetzung nicht beträchtlich ist
(wie oben definiert), kann gesagt werden, daß die zeitlich veränderliche Komponente der Wärmefreisetzung im wesentlichen
in Phase mit der zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes moduliert wird, da das Ausgangssignal
der Brennstoffzufuhrbegrenzungseinrichtung 59 den Brennraumdruck darstellt (mit Ausnahme des Ausmaßes, in welchem seine
Größe durch die BrennstoffZufuhrbegrenzungseinrichtung 59
begrenzt wird, und des Ausmaßes, in welchem seine Phase durch die Phasenkompensationseinrichtung 58 verändert wird).
Der Wert des vorbestimmten Verstärkungsfaktors G des Verstärkers 55 wird mit einem hohen Grad an Genauigkeit aus
der folgenden Analyse des Betriebes des Gasturbinentriebwerks 20 geeignet bestimmt. Fig. 2 zeigt eine schmeatische Darstellung
eines vereinfachten oder idealisierten Modells eines Gasturbinentriebwerkssystems, das "räumlich konzentrierte"
Volumina für den Verdichter, den Brennraum und die Turbinenstufen hat. In dem in Fig. 2 dargestellten Modell mit räumlich
konzentriertem Volumen ist der Verdichter eingebettet in einen Kanal der Länge L und der Querschnittsfläche A
dargestellt, an den sich ein Brennraum mit dem Volumen V anschließt.
An den Brennraum schließt sich eine Turbine an, die eine Eintrittsöffnungs- oder Halsquerschnittsfläche A.
einer Turbinenleitschaufelbaugruppe hat. Die vorstehende und die weitere Nomenklatur, die in Fig. 2 benutzt wird,
sowie die im folgenden benutzte Nomenklatur sind folgendermaßen definiert:
- Vs -
Nomenklatur
A = Querschnittsfläche des Verdichters
At = Eintrittsöffnungs- oder Halsquerschnittsfläche
der Turbinenleitschaufelbaugruppe B = ein dimensionsloser Wert, definiert als
AcLc
C(t) = Augenblicksdruckanstieg, der durch den Verdichter
C(t) = Augenblicksdruckanstieg, der durch den Verdichter
erzeugt wird
C__(W ) = stationärer Druckanstieg, der durch den Verdichter sowohl im Strömungsabriß- als auch im Nicht-
C__(W ) = stationärer Druckanstieg, der durch den Verdichter sowohl im Strömungsabriß- als auch im Nicht-
strömungsabrißbetrieb erzeugt wird C = spezifische Wärme von Gas, das bei konstantem
Druck durch das Triebwerk strömt F = ein dimensionsloser Wert, definiert als
AcLc
H(t) = Augenblickswärmefreisetzung in dem Brennraum
H(t) = Augenblickswärmefreisetzung in dem Brennraum
durch das Verbrennen von Brennstoff K = eine dimensionslose Konstante zum Berücksichtigen
des Druckabfalls aufgrund der Reibung, die durch
die Brennerbüchse des Brennraums verursacht wird L = Länge des Verdichterkanals
L, = Länge des Turbinenkanals
M, = Verdichterradspitzenmachzahl P = Druck der umgebenden Atmosphäre
M, = Verdichterradspitzenmachzahl P = Druck der umgebenden Atmosphäre
P (t) = Augenblicksdruck in dem Brennraum P (o) = Druck in dem Brennraum vor dem Auftreten einer
Strömungsabrißursache
Q = kritisches Druckverhältnis R = Gaskonstante
Q = kritisches Druckverhältnis R = Gaskonstante
T = Umgebungstemperatur
a
a
T = Temperatur am Verdichterauslaß T (o) = Temperatur am Verdichterauslaß vor dem Auftreten
einer Strömungsabrißursache T. (t) = Augenblicksturbineneinlaßtemperatur
-XA-
2(4
V = Brennraumvolumen
W (t) = Augenblicksgewichtsdurchsatz des Verdichters W.(t) = Augenblicksgewichtsdurchsatz der Turbine
γ = spezifisches Wärmeverhältnis von durch das Triebwerk
strömendem Gas
ρ = Gasdichte am Verdichterauslaß
p.. = Gasdichte im Halsgebiet■der Turbinenleitschaufelbaugruppe
τ = eine Zeitkonstante; für den Betrieb ohne Strömungsabriß gilt τ=0, und für einen Betrieb mit
Strömungsabriß ist τ eine experimentell ermittelte Konstante
Indizes
a = Umgebung
c = Verdichter
ss = stationärer Wert, wenn das Triebwerk nicht im
Strömungsabrißbetrieb ist
t = Turbine
th = Eintrittsöffnung oder Hals
Der augenblickliche dynamische Zustand des in Fig. 2 gezeigten Gasturbinentriebwerkssystems kann durch die folgenden
fünf "abhängigen" Größen gekennzeichnet werden: W (t), C(t), P (t) , T. (t) und W. (t). Die Werte der vorgenannten fünf
Größen werden ermittelt, indem gleichzeitig fünf Differentialgleichungen gelöst werden, die die verschiedenen Beziehungen
unter den fünf Größen ausdrücken. Fünf geeignete Differentialgleichungen
sind im folgenden angegeben. Die Ausdrücke der fünf Differentialgleichungen werden vereinfacht, indem die
folgenden expliziten Deffinitionsbeziehungen benutzt werden:
- Tc(o)) ,Jj2,
T "IpJ V ρ
a a a
Pc = (Pp/(R Tc}}
Die erste Gleichung ist eine Impulsgleichung für den Verdich
terkanal und kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
L dV? v W 2
Die zweite Gleichung ist eine halbempirische Nacheilungsglei· chung, die den Druckanstieg betrifft, der durch den Verdichter
erzeugt wird, und folgendermaßen ausgedrückt wird:
τ §§ + C = C (WJ
dt Sa C
Die dritte Gleichung ist eine Energiebilanzgleichung für den Brennraum und wird folgendermaßen ausgedrückt:
V d?
2
2
T 3X = W C T - Y^T. C + H(t)
-y-1 dt cpc ttp
Die vierte Gleichung berücksichtigt die Kontinuität oder Massenbilanz des Brennraums und außerdem die Energiebilanz
des Brennraums und wird folgendermaßen ausgedrückt:
Vp ,1 1 Ί dTt
C (γ-D l 2 2^ dt
C (γ-D l 2 2^ dt
P Tc Tt
O T
, W T1-I+C,
C Y T
_ w h _ 1 + \)
+ H(t) rl_ + JL]
+ H(t) rl_ + JL]
Cp c Tt
Die fünfte Gleichung ist eine Energiegleichung für den Turbinenkanal,
wobei die Turbinenleitschaufelbaugruppe "gedrosselt" ist (d.h., die Luftströmungsgeschwindigkeit durch die
Eintrittsöffnung oder den Hals der Turbinenleitschaufelbaugruppe ist größer als die Schallgeschwindigkeit), und wird
folgendermaßen ausgedrückt:
Q = | t 2 J | 2 | γ 1 | "V "P P |
γ + 1 | 1 | *1 | 1 |
DC Tt . | 2 ' | Q | ||||||
pth | (Y- | 1 | ||||||
/Y)r | P U( | |||||||
χγ-1' *] | ||||||||
W | ||||||||
2 Pth | ||||||||
Beim Lösen der vorstehenden fünf Differentialgleichungen wird
das Gasturbinentriebwerkssystem in Fig. 2 zuerst in einer stationären Betriebsart betrachtet. In dieser Betriebsart
müssen die geometrischen Größen L , A , V , A,, und L, spe-
C C ρ "C u
zifiziert werden. Diese Größen können zeitabhängig gemacht werden, und von dieser Tatsache wird in Verbindung mit einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung Gebrauch gemacht,
die weiter unten erläutert ist. In der stationären Betriebsart müssen die Anfangswerte von W (t), C(t), P (t), T, (t)
und W.(t), die einem Arbeitspunkt des Systems vor dem Auftreten einer Strömungsabrißursache entsprechen, spezifiziert
werden. Darüber hinaus müssen in der stationären Betriebsart die folgenden Gasturbinentriebwerksparameter spezifiziert
werden:
Bei 100% Drehzahl, Turbinenraddrehzahl (die W bestimmt)
Bei 100% Drehzahl, Verhältnis der stationären Verdichterauslaßtemperatur
(T in"R) zur stationären Umgebungstemperatur (T in 0R)
el
Bei 100% Drehzahl, Verhältnis der stationären Turbineneinlaßtemperatur
(T. in 0R) zur stationären Umgebungstemperatur (T in 0R)
Stationäre Verdichterkennlinien (Druckverhältnis über dem
Gewichtsdurchsatz) sowohl im Betrieb mit Strömungsabriß als auch im Betrieb ohne Strömungsabriß (C
ss
<wc))
Augenblickswärmefreisetzung in dem Brennraum (H(t)) Amplitude und Dauer der relevanten, schlimmsten Strömungsabrißursache;
z.B. Verlust des Strömungsabrißspielraums aufgrund einer Einlaßverzerrung (d.h.(C (W ))
im Wert geändert). (Der hier benutzte Ausdruck "relevant" meint den wahrscheinlichsten Typ der Strömungsabrißursache,
und der Ausdruck "schlimmste Strömungsabrißursache" bedeutet den schlechtesten Fall der
Strömungsabrißursache. Diese Parameter werden typischerweise durch den Benutzer festgelegt, und zwar in
Abhängigkeit von dem vorgesehenen Gebrauch eines Gasturbinentriebwerks) .
Die Entsprechung zwischen den vorstehenden Parametern und den obigen fünf Gleichungen ist für den Fachmann klar. Die
vorstehenden Parameter können jeweils zeitabhängig gemacht
werden, und gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Augenblickswärmefreisetzung in dem Brennraum, H(t),
zeitabhängig gemacht.
Mit den vorstehenden geometrischen Größen und den spezifizierten Triebwerksparametern können die oben angegebenen
fünf Differentialgleichungen durch Anwendung der bekannten Adams-Prediktor-Korrektor--Methode geeignet gelöst werden.
Die Fig. 3-8 zeigen Diagramme, die ausgewählte Parameter des Gasturbinentriebwerkssystems in Fig. 2 veranschaulichen.
Diese Diagramme basieren auf der gleichzeitigen Lösung der obigen fünf Differentialgleichungen für ein bestimmtes Gasturbinentriebwerk,
das folgende Parameter hat:
Bei 100% Drehzahl, eine Turbinenraddrehzahl, die einer Radspitzenmachzahl (M. ) von 1 entspricht
Bei 100% Drehzahl, Verhältnis der stationären Verdichterauslaßtemperatur
(T in°R) zur stationären Umgebungs-
temperatur (T in°R): 1,93
a
a
Bei 100% Drehzahl, Verhältnis der stationären Turbinen-
einlaßtemperatur (T. in 0R) zur stationären Umgebungstemperatur
(T in0R): 6
a
a
Bei 100% Drehzahl, Verdichterabrißgesamtdruckverhältnis:
8,441
Stationäre Verdichterkennlinien (Druckverhältnis über dem Gewichtsdurchsatz) sowohl im Betrieb ohne Strömungsabriß
als auch im Betrieb mit Strömungsabriß: gestrichelte Linien 60 bzw. 61 in Fig. 5
Amplitude und Dauer der relevanten, schlimmsten Strömungsabrißursache:
Verringerung des Eintrittsöffnungs- oder Halsquerschnittes des Turbinenleitschaufelkranzes
von 7% (was selbstverständlich voraussetzt, daß das betreffende Gasturbinentriebwerk einen veränderbaren
Eintrittsöffnungs- oder Halsquerschnitt des Turbinenleitschaufelkranzes hat, wie ausführlicher
weiter unten mit Bezug auf das Gasturbinentriebwerk in Fig. 9 erläutert).
Die geometrischen Größen L , A , V , A. und L. , so daß für die dimensionslosen Größen gilt:
J^H =0,36
Eine Betrachtung dieser Diagramme wird zeigen, wie ein geeigneter Wert für den vorbestimmten Verstärkungsfaktur G
des Verstärkers 55 zu wählen ist.
Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung zeigen
die Fig. 3-5 die Ergebnisse bei einem im Strömungsabriß befindlichen Gasturbinentriebwerkssystem, bei welchem die
Erfindung nicht benutzt wird.
Fig. 3 zeigt die Größe Brennraumdruck (P (t)) minus Umgebungsdruck
(P ) (im folgenden einfach als "Druck" bezeichnet) über der Zeit nach dem Auftreten einer Strömungsabrißursache
zur Zeit 0. Das hat zur Folge, daß, unter Verwendung des oben angegebenen Kriteriums, ein Strömungsabriß bei
etwa 10 ms einsetzt. Es ist zu erkennen, daß der Druck mehrere stark gedämpfte Schwingungen ausführt und dann nach
etwa 60 ms im wesentlichen einen konstanten Wert annimmt. Dieses Verhalten des Druckes zeigt, daß das Triebwerk in
einem rotierenden Strömungsabriß- und Nichtpumpzustand arbeitet.
Dieser Typ von Strömungsabriß stellt häufig einen nicht beseitigbaren Strömungsabriß dar.
Fig. 4 zeigt die Größe Brennkammerwärmefreisetzung H(t) (im folgenden einfach als "Wärmefreisetzung" bezeichnet)
über der Zeit nach dem Auftreten einer Strömungsabrißursache zur Zeit O. Nach dem Zeitpunkt O ist die Wärmefreisetzung
auf 75% ihres Wertes vor dem Auftreten einer Strömungsabriß-
- 22 -
Ursache abgefallen. Das ist ein herkömmlicher (oben nicht erläuterter) Korrekturvorgang, der dazu dient, einen Strömungsabrißzustand
zu mildern. Das Gasturbinentriebwerkssystem tritt jedoch trotz dieses Korrekturvorganges in einen
nicht beseitigbaren Strömungsabrißzustand ein.
Fig. 5 zeigt die Größe Brennraumdruck Pp(t) minus Umgebungsdruck
P ("Druck") über dem Gewichtsdurchsatz W (t) des a c
Verdichters (im folgenden einfach als "Gewichtsdurchsatz" bezeichnet) und entspricht dem Triebwerksbetrieb gemäß den
Fig. 3 und 4. Die mit ausgezogener Linie dargestellte Kurve in Fig. 5 stellt die Leistung des Verdichters dar. Die gestrichelte
Linie 60 stellt für einen Betrieb ohne Strömungsabriß die stationäre Verdichterkennlinie C (W ) dar, und
die gestrichelte Linie 61 stellt für einen Betrieb mit Strömungsabriß die stationäre Verdichterkennlinie c (W ) dar.
SS C
Die Leistungskurve des Verdichters stimmt am Anfang mit der für den Betrieb ohne Strömungsabriß geltenden stationären
Verdichterkennlinie 60 überein, eine Strömungsabrißursache bewirkt aber, daß sie im Gegenuhrzeigersinn kreist, bis sie
sich auf die für den Betrieb mit Strömungsabriß geltende stationäre Verdichterkennlinie 61 einstellt. Dieser Typ von
Leistungskurve für den Verdichter ist eine weitere Möglichkeit der Veranschaulichung des Triebwerksbetriebes in einem
nichtpumpenden oder nichtbeseitigbaren Strömungsabriß.
Die Diagramme in den Fig. 6-8 zeigen den Betrieb einer ersten
Ausführungsform der Erfindung, die mit Hilfe der durch das Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellten Anordnung implementiert
wird. In Fig. 6 ist zu erkennen, daß der Brennraumdruck P (t) minus dem Umgebungsdruck P (im folgenden ein-P
β
fach als "Druck" bezeichnet) am Anfang in dem Zeitintervall zwischen O und 5 ms auf der Zeitskala im Wert fällt. Das Einsetzen
eines Strömungsabrisses erfolgt in diesem Zeitintervall, wenn das oben angegebene Kriterium für den Strömungs-
- A3 -
abriß benutzt wird. Gemäß der Erfindung wird die zeitlich veränderliche Komponente der Brennraumwärmefrexsetzung H(t)
("Wärmefreisetzung") in Fig. 7 im wesentlichen in Phase mit
der zeitlich veränderlichen Komponente des Druckes in Fig. 6 oder äquivalent mit der zeitlich veränderlichen Komponente
des Brennraumdruckes moduliert, weil der Umgebungsdruck P
typischerweise konstant ist. Bei dem besonderen Gasturbinentriebwerk,
das durch die oben angegebenen Parameter gekennzeichnet ist, wird die Wärmefreisetzung so moduliert, daß sie
sich zwischen 82 und 107% ihres Wertes vor dem Auftreten der Strömungsabrißursache, die den Triebwerksströmungsabriß ausgelöst
hat, verändert. Die Wärmefreisetzung umfaßt eine zeitlich veränderliche Komponente und eine zeitlich konstante
Komponente. Die zeitlich konstante Komponente wird zweckmäßig so gewählt, daß sie 100% des Wertes der Wärmefreisetzung vor
dem Auftreten der Strömungsabrißursache beträgt. Die zeitlich konstante Komponente könnte stattdessen jedoch andere
Werte haben, die vorzugsweise innerhalb von etwa 25% des Wertes vor dem Auftreten der Strömungsabrißursache liegen.
Diese bevorzugte Begrenzung des Wertes der zeitlich konstanten Komponente der Wärmefreisetzung wird gewählt, um zu verhindern,
daß eine drastische Änderung der Wärmefreisetzung als Strömungsabrißursache wirkt.
In Fig. 6 ist zu erkennen, daß der Druck weiterhin schwingt, statt sehr schnell abzunehmen, wie es in Fig. 3 der Fall war.
Fig. 8 zeigt den Brennraumdruck P (t) minus dem Umgebungsdruck P ("Druck") über dem Gewichtsdurchsatz W (t) des Ver-
el O
dichters ("Gewichtsdurchsatz"). Die in Fig. 8 mit ausgezogener Linie dargestellte Kurve, die die Verdichterleistung
veranschaulicht, beginnt auf der für den Betrieb ohne Strömungsabriß geltenden stationären Verdichterkennlinie 6 0 und
dreht sich dann im Gegenuhrzeigersinn für mehrere vollständige Umdrehungen oder Perioden. Während jeder derartigen
Periode fällt die mit ausgezogener Linie dargestellte Kurve für eine Zeitspanne in einem Gebiet 62 mit der für den Be-
trieb ohne Strömungsabriß geltenden stationären Verdichterkennlinie
60 zusammen. Mit anderen Worten, das Gasturbinentriebwerkssystem von Fig. 2 durchläuft weitere Perioden, wobei
ein Teil jeder Periode dem normalen Betrieb des Gasturbinentriebwerkssystems darstellt. Das wird als Pumpzustand
oder als eine Abwechslung zwischen Strömungsabriß- und normalem Betrieb bezeichnet. Es ist äußerst erwünscht, daß ein
Pumpzustand während des Triebwerksströmungsabrisses vorliegt, weil das Gasturbinentriebwerk leicht den normalen Betrieb
wieder aufnehmen kann, indem einfach die Strömungsabrißursache
beseitigt wird. Für die Zwecke der Erfindung ist es nicht notwendig, daß die Verdichterleistungskurve in Fig. 8
(d.h. die mit ausgezogener Linie dargestellte Kurve) in jeder Periode mit der für den Betrieb ohne Strömungsabriß geltenden
stationären Verdichterkennlinie 60 zusammenfällt, um so einen Pumpzustand zu bilden. Notwendig ist, daß die Verdichterleistungskurve
schließlich während Perioden mit der Kennlinie 60 zusammenfällt, wodurch schließlich ein Pumpzustand erzielt wird.
Selbstverständlich ist es erwünscht, daß ein Pumpzustand so schnell wie möglich erreicht wird, um das Erfordernis eines
unzulässig großen Ausmaßes der Modulation der Wärmefreisetzung zu vermeiden, damit das Triebwerk möglichst keiner
übermäßigen baulichen Beanspruchung ausgesetzt wird.
Damit ein geeigneter vorbestimmter Verstärkungsfaktor G für den Verstärker 55 in Fig. 1 gefunden wird, sollte
eine erste Funktion der Zeit für H(t), die einem ersten Wert des vorbestimmten Verstärkungsfaktors G entspricht, bei dem
gleichzeitigen Lösen der oben angegebenen fünf Differentialgleichungen benutzt werden. Zweite und weitere Funktionen
der Zeit für H(t) sollten dann nach Bedarf beim Vorbestimmen eines geeigneten Wertes des vorbestimmten Verstärkungsfaktors
G benutzt werden, um das spätere Auftreten eines Pumpzustandes zu gewährleisten, wie oben erläutert.
Es ist erwünscht, den vorbestimmten Verstärkungsfaktor G zu minimie-
ren, um die auf das Gasturbinentriebwerk ausgeübte bauliche
Beanspruchung im wesentlichen zu minimieren. Demgemäß sollten verschiedene Werte von H(t) bei dem Lösen der obigen
Gleichungen benutzt werden, um den niedrigsten Wert des vorbestimmten Verstärkungsfaktors G zu erreichen, der Gewähr
für einen späteren Pumpzustairl bietet.
Fig. 9 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Form eines Gasturbinentriebwerks 70 zusammen mit einem Blockschaltbild
einer weiteren Anordnung zur Implementierung der Erfindung. Das Gasturbinentriebwerk 70 gleicht im wesentlichen dem oben
beschriebenen Gasturbinentriebwerk 20 und hat eine Turbinenleitschaufelbaugruppe
71, bei der der Eintrittsöffnungsoder Halsquerschnitt des Turbinenleitschaufelkranzes veränderbar
ist (im folgenden einfach als "Halsquerschnitt" bezeichnet, als Abkürzung für turbine nozzle throat area oder
T.N.T.A.). Turbinenleitschaufelbaugruppen, die verstellbare
Halsquerschnitte haben, sind bekannt. In einer möglichen Implementierung ist die Turbinenleitschaufelbaugruppe 71 mit
einer Vorrichtung zum Drehen jeder einzelnen Leitschaufel versehen. Eine geeignete Vorrichtung zum Drehen der Leitschaufeln
ist in Fig. 10 vereinfacht dargestellt.
Gemäß Fig. 10 ist jede einzelne Leitschaufel 72 der Turbinenleitschaufelbaugruppe
71 in der Lage, sich um ihre bei Betrachtung von Fig. 10 vertikale Achse zu bewegen. Diese Drehung wird
durch einen drehbaren Ring 74 gesteuert, der auf einer Rolle 75 läuft. Der Ring 74 bewegt Mitnehmer 77 und 78, die dann
die einzelnen Leitschaufeln jeweils über eine Welle 80 in Drehung versetzen. Die Position des drehbaren Ringes 74 relativ
zu den einzelnen Leitschaufeln 72 wird durch eine Halsquerschnittsteuereinrichtung
81 gesteuert, die in dem Blockschaltbild in Fig. 9 gezeigt ist.
Ein besseres Verständnis der Verstellbarkeit des Halsquerschnittes
der Turbinenleitschaufelbaugruppe 71 ergibt sich
3 2 2 A 1
aus einer Betrachtung des "Stufen"-Schemas in Fig. 11. Die
Turbinenleitschaufeln links in Fig. 11 stellen die Turbinen
leitschaufelbaugruppe 71 dar, und die Turbinenlaufschaufeln rechts in Fig. 11 stellen eine umlaufende Turbinenlaufschaufelbaugruppe
82 dar, die neben der Turbinenleitschaufelbaugruppe 71 und stromabwärts derselben angeordnet ist. Wenn
die Leitschaufeln der Turbinenleitschaufelbaugruppe 71 in der in dem Schema mit ausgezogenen Linien dargestellten
Stellung sind, ist eine Turbineneintrittsöffnung oder ein Turbinenhals vorhanden, der eine Breite hat, die durch einen
Pfeil 84 angegeben ist. Wenn die Leitschaufeln der Turbinenleitschaufelbaugruppe
71 die in Fig. 11 mit gestrichelten , Linien dargestellte Stellung einnehmen, ist eine Turbineneintrittsöffnung
oder ein Turbinenhals vorhanden, wie er durch einen Pfeil 85 dargestellt ist. Es ist zu erkennen,
daß der Pfeil 85 kürzer ist als der Pfeil 84. Da der Halsquerschnitt direkt von dem Abstand zwischen benachbarten
Leitschaufeln der Turbinenleitschaufelbaugruppe 71 abhängig ist, ist zu erkennen, daß der Halsquerschnitt ein variabler
Parameter des Gasturbinentriebwerks 70 ist. Es ist bekannt, daß im Strömungsabrißfreien Betrieb des Verdichters eine
Verkleinerung des Halsquerschnittes den Gewichtsdurchsatz des Verdichters verkleinert, wodurch das Druckverhältnis,
das dieser erzeugt, und die Gesamtleistungsabgabe des Gasturbinentriebwerks 70 vergrößert werden.
Die Halsquerschnittsteuereinrichtung 81 wird zweckmäßig auf herkömmliche Weise für einen Betrieb bei NichtVorhandensein
eines Strömungsabrisses implementiert. Wenn ein Strömungsabriß vorhanden ist, dient die Halsquerschnittsteuereinrichtung
81 zum Modulieren des Halsquerschnittes im wesentlichen in Phase mit einem elektrischen Modulationssignal, das durch
eine Summiereinrichtung 101 erzeugt wird. Die Halsquerschnitt steuereinrichtung 81 liefert außerdem ein elektrisches Ausgangssignal,
das die Einstellung des Halsquerschnittes an-
gibt. Ein Strömungsabrißfühler 90 ermittelt das Einsetzen
eines Strömungsabrisses und erzeugt daraufhin ein elektrisches Ausgangssignal. Wenn das Gasturbinentriebwerk 70 den
oben angegebenen besonderen Gasturbinenparametern entspricht, ist das Kriterium zum Bestimmen des Einsetzens eines Strömungsabrisses
zweckmäßig gleich dem oben für den Strömungsabrißfühler 43 in Fig. 1 angegebenen. Eine Einrichtung 91
überwacht die Einstellung des Halsquerschnittes auf das Ausgangssignal
der Halsquerschnittsteuereinrichtung 81 hin, verzögert dieses Signal für eine Zeitspanne von mehr als
etwa 25 ms und gibt das sich ergebende verzögerte Signal nach dem Einsetzen eines Strömungsabrisses ab, der durch die
Einrichtung 91 auf das Ausgangssignal des Strömungsabrißfühlers 90 hin abgefühlt wird. Dieses verzögerte Ausgangssignal
der Einrichtung 91 stellt einen vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wert des Halsquerschnittes vor dem Auftreten
einer Strömungsabrißursache dar. Bei dem Einsetzen eines Strömungsabrisses, was durch ein Ausgangssignal aus dem
Strömungsabrißfühler 90 angezeigt wird, speichert eine Einrichtung 92 und liefert ständig an einen negativen Eingang
einer Summiereinrichtung 94 ein Signal, das den Halsquerschnitt bei dem Einsetzen eines Strömungsabrisses darstellt.
Die Summiereinrichtung 94 subtrahiert das Ausgangssignal der Einrichtung 92, das den Wert des Halsquerschnittes bei dem
Einsetzen eines Strömungsabrisses darstellt, von dem Ausgangssignal der Einrichtung 91, das den vor dem Strömungsabriß
vorhandenen Wert des Halsquerschnittes darstellt, und
liefert ein zeitlich konstantes Ausgangssignal, das bei der Bestimmung des Halsquerschnittes nach dem Einsetzen des
Strömungsabrisses benutzt wird. Der Grund für dieses Subtrahieren des Halsquerschnittes beim Einsetzen eines Strömungsabrisses von dem stationären Wert des Halsquerschnittes ist,
einenbekannten Korrekturvorgang vorzusehen, um einen Strömungsabrißzustand
in einem Triebwerk zu mildern, wenn die relevante Strömungsabrißursache eine abrupte Änderung in dem
Halsquerschnitt darstellt. Ein solcher bekannter Korrekturvorgang beinhaltet, mit anderen Worten, das Vergrößern des
Halsquerschnittes nach dem Einsetzen eines Strömungsabrisses von dem stationären Wert desselben aus, wenn die Strömungsabrißursache
den Halsquerschnitt verkleinert hat, und umgekehrt. Das Ausmaß der durch den Korrekturvorgang erfolgenden
Vergrößerung oder Verkleinerung des Halsquerschnittes ist typischerweise gleich dem Ausmaß der Verkleinerung oder Vergrößerung
des Halsquerschnittes, die die Strömungsabrißursache darstellte.
Ein Druckfühler 95 mißt den Druck des Brennraums des Gasturbinentriebwerks
70. Die Einzelheiten des Druckfühlers 95 stimmen zweckmäßig mit den oben für den Druckfühler 42 in
Fig. 1 beschriebenen überein. Der Druckfühler 95 erzeugt ein Ausgangssignal, das den Brennraumdruck darstellt. Auf dieses
Ausgangssignal hin speichert eine Einrichtung 97 während des Strömungsabrisses ein Signal, das den Wert des Brennraumdruckes
beim Einsetzen des Strömungsabrisses darstellt, und gibt dieses zeitlich konstante Signal an den negativen Eingang
einer Summiereinrichtung 98 ab.
Die Summiereinrichtung 98 subtrahiert das zeitlich konstante Signal, das durch die Einrichtung 97 geliefert wird, von dem
Signal, das durch den Druckfühler 95 geliefert wird, und gibt ein zeitlich veränderliches Ausgangssignal an einen Verstärker
100 ab. Dieses zeitlich veränderliche Signal stellt die zeitlich veränderliche Komponente des Brennraumdruckes dar.
Dieses zeitlich veränderliche Signal wird durch den Verstärker 100 verstärkt, der einen vorbestimmten Verstärkungsfaktor
G hat und ein verstärktes Signal an den negativen Eingang einer Summiereinrichtung 101 abgibt.
Die Summiereinrichtung 101 subtrahiert das verstärkte Signal
aus dem Verstärker 100, das die zeitlich veränderliche Korn-
ponente des Brennraumdruckes darstellt, von dem Ausgangssignal
der Summiereinrichtung 94, das eine zeitlich konstante Komponente des Halsquerschnittes darstellt. Das Ausgangssignal
der Summiereinrichtung 101 bildet ein Modulationssignal, das von der Halsquerschnittsteuereinrichtung 81 benutzt
wird, um den Halsquerschnitt nach dem Einsetzen eines Strömungsabrisses zu modulieren. Es läßt sich somit sagen, daß
die zeitlich veränderliche Komponente des variablen Parameters, der eine Verkleinerung des Halsquerschnittes beinhaltet,
im wesentlichen in Phase mit der zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes moduliert wird. Darüber hinaus
läßt sich sagen, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente der Verkleinerung des Halsquerschnittes
eine vorbestimmte Proportionalitätsbeziehung zu der zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes hat.
Die Fig. 12-17 zeigen Diagramme von ausgewählten Parametern
des Gasturbinentriebwerkssystems in Fig. 2. Diese Diagramme basieren auf der gleichzeitigen Lösung der obigen fünf Differentialgleichungen
für ein besonderes Gasturbinentriebwerk, das dieselben Parameter hat, wie sie oben für dJeFig. 3-8
angegeben worden sind. Eine Betrachtung der Diagramme in den Fig. 12-17 wird zeigen, wie ein geeigneter Wert für den
vorbestimmten Verstärkungsfaktor G des Verstärkers 100 in
Fig. 9 auszuwählen ist.
Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung zeigen die Fig. 12-14 verschiedene Parameter eines Gasturbinentriebwerks,
das aufgrund einer abrupten Verkleinerung des Halsquerschnitts des Triebwerks zur Zeit O in einen Strömungsabrißzustand
geht und bei dem nur der bekannte Korrekturvorgang des Vergrößerns des Halsquerschnittes ausgeführt
wird.
In Fig. 12 ist zu erkennen, daß der Brennraumdruck P (t)
minus dem Umgebungsdruck P ("Brennraumdruck") in den ersten
Millisekunden nach dem Zeitpunkt O schnell abfällt.
Das Einsetzen eines Strömungsabrisses gemäß dem oben angegebenen Kriterium erfolgt bei ungefähr 4 ms. Fig. 13 veranschaulicht
die Strömungsabrißursache, die den Triebwerksströmungsabriß bewirkt hat: d.h., der Halsquerschnitt wurde
um 7% verkleinert, vermutlich bei dem Versuch, das Triebwerk schnell zu beschleunigen. Bei ungefähr 22 ms erfolgt der bekannte
Korrekturvorgang des Vergrößerns des Halsquerschnittes in demselben Ausmaß wie die Strömungsabrißursache. In
Fig. 12 ist jedoch zu erkennen, daß der Druck weiterhin eine schnell abnehmende Schwingung ausführt. Das ist für einen
nichtpumpenden Strömungsabriß charakteristisch.
Das Vorhandensein eines nichtpumpenden Triebwerksströmungsabrisses
ist in Fig. 14 klar dargestellt. Die Verdichterleistungskurve (die ausgezogene Linie) ist ursprünglich auf der
für den Betrieb ohne Strömungsabriß geltenden stationären Verdichterkennlinie 60. Anschließend bewegt sich die Verdichterleistungskurve
schnell von dem oberen Teil der Kennlinie 60 nach links und beginnt, sich im Gegenuhrzeigersinn spiralförmig
zu bewegen, bis sie auf der für den Betrieb mit Strömungsabriß geltenden stationären Verdichterkennlinie 61
ankommt.Es ist zu erkennen, daß die Verdichterleistungskurve niemals zu der für den Betrieb ohne Strömungsabriß geltenden
Kennlinie 60 zurückkehrt und daß sich deshalb kein Pumpzustand ergibt.
Durch Vorsehen der Erfindung in dem Gasturbinentriebwerk 70 in Fig. 9 nimmt das Triebwerk 70 einen Pumpzustand an, nachdem
es in einen Strömungsabrißzustand gekommen ist, wie es die Diagramme in den Fig. 15-17 zeigen. Die Diagramme in den
Fig. 15 und 16 stimmen mit den vorerwähnten Diagrammen in
den Fig. 12 und 13 bis ungefähr 22 ms überein. Nach diesem Zeitpunkt wird der Halsguerschnitt auf die in Fig. 16 dargestellte
Weise moduliert. Das heißt, die zeitlich veränderliche
Komponente der Verkleinerung des Halsquerschnittes wird im wesentlichen in Phase mit der zeitlich veränderlichen
Komponente des Brennraumdruckes, wie er durch die Druckkurve in Fig. 15 dargestellt ist, moduliert.
Ein Vergleich der Fig. 13 und 16 zeigt, daß bei der Erfindung
der bekannte Korrekturvorgang, wie er in Fig. 13 dargestellt und oben erläutert ist, benutzt worden ist, um den
Strömungsabrißzustand zu mildern. (Die Wahl der zeitlich konstanten Komponente des Halsquerschnittes bei 22 ms erfolgt
in dem Blockschaltbild in Fig. 9 durch die Einrichtungen 91, 92 und 94). Bei der Erfindung braucht jedoch der
bekannte Korrekturvorgang nicht vorgesehen zu werden. Vielmehr kann die zeitlich konstante Komponente des Halsquerschnittes
beispielsweise gleich dem Wert des Halsquerschnittes vor dem Auftreten einer Strömungsabrißursache gewählt
werden.(Das würde erfordern, daß die Einrichtungen 91, 92 und 94 in Fig. 9 durch eine Einrichtung ersetzt werden, die
der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung 53 analog ist, welche einen vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wert des variablen
Parameters der Brennstoffzufuhr erzeugt).
Aus Fig. 16 ist zu erkennen, daß die Erfindung etwas nach dem
Einsetzen eines Strömungsabrisses gemäß dem oben dargelegten Kriterium wirksam wird. Hinsichtlich des Blockschaltbildes
in Fig. 9 bedeutet das, daß das Modulationssignal, das durch die Summiereinrichtung 101 erzeugt wird, für das durch das
Diagramm in Fig. 6 dargestellte spezifische Beispiel bei etwa 22 ms die wirksame Kontrolle über die Halsquerschnittsteuereinrichtung
81 erhält. Das Triebwerk 70 geht trotzdem später in einen Pumpzustand über. Diese Situation unterstreicht
die Tatsache, daß der genaue Augenblick des Ermit-
- 32 -
telns des Einsatzes eines Strömungsabrisses für die Zwecke
der Erfindung nicht ausschlagendgebend ist. Es ist lediglich ausschlaggebend, daß ein Strömungsabriß erkannt oder ermittelt
wird.
Die Tatsache, daß das durch die Fig. 15 und 16 beschriebene
Triebwerk später einen Pumpzustand einnimmt, geht deutlich aus Fig. 17 hervor. In Fig. 17 liegt die Verdichterleistungskurve
(die ausgezogene Linie) am Anfang auf der für den Betrieb ohne Strömungsabriß geltenden stationären Verdichterkennlinie
60. Anschließend bewegt sich die Verdichterkurve von dem oberen Teil der Kennlinie 60 schnell nach links und
bewegt sich dann spiralförmig im Gegenuhrzeigersinn mehrere Perioden, bis sie später wieder mit der für den Betrieb ohne
Strömungsabriß geltenden stationären Kennlinie 60 zusammenfällt. Dieses Zusammenfallen der Verdichterleistungskurve
mit der Kennlinie 60 bedeutet das Auftreten eines Pumpzustands .
Zum Erreichen eines geeigneten vorbestimmten Verstärkungsfaktors G für den Verstärker 100 in Fig. 9 sollte eine erste
Funktion der Zeit für den Halsquerschnitt, die einem ersten Wert des vorbestimmten Verstärkungsfaktors G entspricht,
bei dem gleichzeitigen Lösen der oben angegebenen fünf Differentialgleichungen benutzt werden. Zweite und weitere
Funktionen der Zeit für den Halsquerschnitt sollten dann nach Bedarf beim Vorbestimmen eines geeigneten Wertes
des vorbestimmten Verstärkungsfaktors G benutzt werden, um das spätere Auftreten eines Pumpzustandes zu gewährleisten,
wie oben erläutert.
Es ist erwünscht, den vorbestimmten Verstärkungsfaktor G zu minimieren, um die auf das Gasturbinentriebwerk ausgeübte
bauliche Belastung im wesentlichen zu minimieren. Demgemäß sollten unterschiedliche Wert des Halsquerschnittes bei dem
- 3Λ -
Lösen der obigen Gleichungen benutzt werden, um den niedrigsten
Wert des vorbestimmten Verstärkungsfaktors G zu erhalten, der Gewähr für einen späteren Pumpzustand bietet.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung
ist der Verstärker 100 in Fig. 9 durch einen Regelverstärker 100' in Fig. 18 ersetzt. In Fig. 18 hat der Regelverstärker
100', anders als der Verstärker 100 in Fig. 9, einen Verstärkungssteuereingang.
Ein Turbinendrehzahlfühler 102 fühlt die Drehzahl der rotierenden Turbine des Triebwerks 70 ab
und liefert diese Information an eine Gleichungslösungseinrichtung 104. Die Gleichungslösungseinrichtung 104 enthält
zweckmäßig einen Digitalrechner, der die fünf oben angegebenenen Differentialgleichungen löst, und eine Einrichtung zum Abgeben eines Verstärkungssteuersignals an den Verstärkungssteuereingang des Regelverstärkers 100'. Demgemäß kann der
Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers 100' auf einen Wert
minimiert werden, der sich mit der Gewährleistung eines späteren Pumpzustands in dem Gasturbinentriebwerk 70, wenn dieses im Strömungsabriß ist, verträgt. Die Minimierung des
Verstärkungsfaktors des Verstärkers 100' dient zum Minimieren der Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente,
die eine Verkleinerung des Halsquerschnittes beinhaltet, wodurch die bauliche Beanspruchung, die auf das Triebwerk 70
ausgeübt wird, ebenfalls minimiert wird.
und liefert diese Information an eine Gleichungslösungseinrichtung 104. Die Gleichungslösungseinrichtung 104 enthält
zweckmäßig einen Digitalrechner, der die fünf oben angegebenenen Differentialgleichungen löst, und eine Einrichtung zum Abgeben eines Verstärkungssteuersignals an den Verstärkungssteuereingang des Regelverstärkers 100'. Demgemäß kann der
Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers 100' auf einen Wert
minimiert werden, der sich mit der Gewährleistung eines späteren Pumpzustands in dem Gasturbinentriebwerk 70, wenn dieses im Strömungsabriß ist, verträgt. Die Minimierung des
Verstärkungsfaktors des Verstärkers 100' dient zum Minimieren der Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente,
die eine Verkleinerung des Halsquerschnittes beinhaltet, wodurch die bauliche Beanspruchung, die auf das Triebwerk 70
ausgeübt wird, ebenfalls minimiert wird.
Aus vorstehender Beschreibung der Erfindung ist zu erkennen, daß die Erfindung verschiedene wichtige Ziele erreicht. Beispielsweise
schafft sie ein Verfahren und eine Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Strömungsabriß befindlichen
Gasturbinentriebwerk. Dieses Verfahren und diese Anordnung können in vorhandenen Triebwerken durch Nachrüsten
derselben vorgesehen werden. Darüber hinaus sind das Verfahren und die Anordnung so ausgelegt, daß die bauliche Beanspruchung, die auf ein Gasturbinentriebwerk aufgrund des Pumpzustands ausgeübt wird, der in diesem gefördert wird, minimiert wird.
derselben vorgesehen werden. Darüber hinaus sind das Verfahren und die Anordnung so ausgelegt, daß die bauliche Beanspruchung, die auf ein Gasturbinentriebwerk aufgrund des Pumpzustands ausgeübt wird, der in diesem gefördert wird, minimiert wird.
_ 1-ί _
Fig. 19 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Implementierung
der folgenden Einrichtungen: der Einrichtung 47 von Fig. 1, der Einrichtung 92 von Fig. 9 und der Einrichtung
97 von Fig. 9. Diese Einrichtungen empfangen jeweils ein Ausgangssignal aus dem Stromungsabrißfühler 43 oder 90,
welches das Einsetzen eines Strömungsabrisses anzeigt; dieses Ausgangssignal kann daher als ein Taktsignal aufgefaßt
werden, daß das Einsetzen eines Strömungsabrisses anzeigt. Diese Einrichtungen empfangen jeweils außerdem ein
Eingangssignal (beispielsweise empfängt die Einrichtung 47 ein Eingangssignal aus dem Druckfühler 42) und geben jeweils
ein Ausgangssignal an eine weitere Einrichtung ab(beispielsweise gibt die Einrichtung 47 ein Ausgangssignal an die
Summiereinrichtung 50 ab) . Demgemäß empfängt die als Blockschaltbild dargestellte Schaltung 110 in Fig. 19 ein Eingangssignal
und ein Taktsignal aus einem Stromungsabrißfühler und liefert ein Ausgangssignal.
Eine Analog/Digital(A/D)-Abtastschaltung 111 empfängt das
Eingangssignal, bei welchem es sich um ein Analogsignal handelt, und tastet es periodisch ab. Für die besonderen Gasturbinentriebwerke,
die oben beschrieben sind, beträgt eine geeignete Abtastperiode 0,5 ms. Je kleiner ein Gasturbinentriebwerk
ist, umso höher sind die interessierenden Frequenzen und umso kürzer ist eine geeignete Abtastperiode. Die
A/D-Abtastschaltung 111 gibt ein digitales Ausgangssignal, das den abgetasteten Wert des Eingangssignals darstellt,
nach jeder Abtastung an ein Register 112 über ein UND-Gatter 114 ab. Das UND-Gatter 114 gibt in Verbindung mit einem Inverter
115 die Übertragung von Daten aus der A/D-Abtastschaltung
111 an das Register 112 nur vor dem Einsetzen eines Strömungsabrisses frei, während das Taktsignal aus dem Stromungsabrißfühler
den Signalwert "null" hat. Die Daten in dem Register 112 werden daher bei jeder Abtastperiode vor dem
Einsetzen eines Strömungsabrisses auf den neues Stand gebracht.
Ein UND-Gatter 117 blockiert oder sperrt die übertragung
von Daten aus dem Register 112 zu einem D/A-Wandler 118 vor
dem Einsetzen eines Strömungsabrisses. Bei dem Einsetzen eines Strömungsabrisses, wenn das Taktsignal aus dem Strömungsabrißfühler
einen Signalwert "eins" annimmt, gibt das UND-Gatter 117 die übertragung von Daten aus dem Register
112 an den D/A-Wandler 118 frei. Zur selben Zeit blockiert
das UND-Gatter 114 die Übertragung von Daten aus der A/D-Abtastschaltung
111 zu dem Register 112, wodurch das Register 112 veranlaßt wird, Daten zu speichern, die das Eingangssignal
bei dem Einsetzen eines Strömungsabrisses darstellen. Infolge dieser Tatsache empfängt der D/A-Wandler 118 zeitlich
konstante Daten aus dem Register 112 nach dem Einsetzen
eines Strömungsabrisses und gibt ein zeitlich konstantes Ausgangssignal ab, das dem Eingangssignal beim Einsetzen des
Strömungsabrisses äquivalent ist.
Das Register 112 ist bei den oben beschriebenen besonderen Gasturbinentriebwerken zweckmäßig ein 12-Bit-Register. Die
Übertragung von digitalen Daten mit der als Blockschaltbild dargestellten Schaltung 110 erfolgt vorzugsweise parallel,
obgleich nur einzelne Übertragungsleitungen dargestellt sind.
Durch Ersetzen des einzelnen Registers 112 der Schaltung
in Fig. 18 durch eine Reihe von Registern 200, die in Fig.
20 dargestellt ist, implementiert die modifizierte Schaltung 110 zweckmäßig folgende Einrichtungen: die Einrichtung 53 in
Fig. 1 und die Einrichtung 91 in Fig. 9. In Fig. 20 enthält die Reihe von Registern 200,deren Anzahl zusammen 50 beträgt,
am Anfang keine Daten. Das Register 200a empfängt dann Daten, die einen abgetasteten Wert des Eingangssignals darstellen,
aus der A/D-Abtastschaltung 111. Nach der nächsten Abtastperiode
werden die Daten, die in dem Register 200a waren, zu dem Register 200b verschoben und das Register 200a empfängt
die neuen Daten aus der A/D-Abtastschaltung 111. Nachdem
50 Abtastperioden verstrichen sind ( 25 ms für die oben beschriebene
Schaltung), enthält das Register 20Oy Daten, die in bezug auf die Daten in dem Register 200a um 25 ms verzögert
sind. Daher stellen nach dem anfänglichen 25-ms-Betrieb der modifizierten Schaltung 110 zu jeder bestimmten Zeit
t = t die Daten in dem Register 20Oy einen abgetasteten Wert des Eingangssignals dar, der um 25 ms verzögert ist, oder,
mit anderen Worten, einen abgetasteten Wert zur Zeit t = t - 25 ms. Demgemäß liefert nach dem Einsetzen eines
Strömungsabrisses die modifizierte Schaltung 110 ein zeitlich konstantes Ausgangssignal, das einen Wert des Eingangssignals darstellt, der um 25 ms verzögert ist, oder, mit anderen
Worten, einen Wert desselben vor dem Strömungsabriß.
Leerseite
Claims (38)
- Patentansprüche :( 1 ./Verfahren zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Strömungsabrißzustand befindlichen Gasturbinentriebwerk, das einen zwischen einem Verdichter und einer Turbine angeordneten Brennraum hat, gekennzeichnet durch folgende Schritte:a) überwachen des Druckes in dem Brennraum des Gasturbinentriebwerks;b) Ermitteln des Einsetzens eines Strömungsabrisses in dem Gasturbinentriebwerk; undc) Modulieren einer zeitlich veränderlichen Komponente eines ersten variablen Parameters des Triebwerks im wesentlichen in Phase mit einer zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes nach dem Einsetzen des Strömungsabrisses, wodurch in dem Gasturbinentriebwerk ein Pumpzustand gefördert wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters eine vorbestimmte Beziehung zuder Amplitude des Brennraumdruckes hat.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:a) überwachen des ersten variablen Parameters und Ermitteln eines vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wertes desselben; undb) Liefern des ersten variablen Parameters mit einer zeitlich konstanten Komponente nach dem Einsetzen des Strömungsabrisses, wobei die zeitlich konstante Komponente einen Wert innerhalb von etwa 25% des vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wertes desselben hat.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem Strömungsabriß vorhandene Wert des ersten Parameters ein Wert desselben ist, der vor dem Auftreten einer Strömungsabrißursache, die den Strömungsabriß bewirkt, vorhanden ist.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste variable Parameter die Brennstoffzufuhr zu dem Brennraum des Gasturbinentriebwerks ist.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste variable Parameter die Wärmefreisetzungsgeschwindigkeit in dem Brennraum des Gasturbinentriebwerks ist.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation einer zeitlich veränderlichen Komponente der Wärmefreisetzung die Modulation einer zeitlich veränderlichen Komponente der Brennstoffzufuhr zu dem Brennraum beinhaltet.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation einer zeitlich veränderlichen Komponente derBrennstoffzufuhr beinhaltet, daß die Verzögerung zwischen der Brennstoffzufuhr und der Wärmefreisetzung im wesentlichen kompensiert wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr im wesentlichen auf eine maximale Nennbrennstoffzufuhr des Gasturbinentriebwerks nach dem Einsetzen des Strömungsabrisses begrenzt wird.
- 10. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters eine vorbestimmte Beziehung zu der Amplitude des Brennraumdruckes hat, wobei die vorbestimmte Beziehung darin besteht, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters proportional zu der Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes ist.
- 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters außerdem proportional zu einem vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wert des ersten variablen Parameters ist.
- 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem Strömungsabriß vorhandene Wert des ersten variablen Parameters ein Wert desselben ist, der vor dem Auftreten einer Strömungsabrißursache, die den Strömungsabriß bewirkt, vorhanden ist.
- 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:a) das Gasturbinentriebwerk einen Turbinenleitschaufelkranz mit veränderbarem Eintrittsöffnungs- oder Halsquerschnitt hat; undb) der erste variable Parameter eine Verkleinerung des Halsquerschnittes darstellt.-A-
- 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters eine vorbestimmte Beziehung zu der Amplitude des Brennraumdruckes hat, wobei die vorbestimmte Beziehung darin besteht, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters proportional zu der Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes ist.
- 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten Parameters von einem zweiten variablen Parameter des Gasturbinentriebwerks abhängig ist.
- 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite variable Parameter die Turbinendrehzahl des Gasturbinentriebwerks ist.
- 17. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Beziehung so gewählt wird, daß die bauliche Beanspruchung, die auf das Gasturbinentriebwerk aufgrund der Modulation des ersten variablen Parameters ausgeübt wird, im wesentlichen minimiert wird.
- 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Beziehung von einem zweiten Parameter des Gasturbinentriebwerks abhängig ist.
- 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite variable Parameter die Turbinendrehzahl des Gasturbinentriebwerks ist.
- 20. Anordnung zum Fördern eines Pumpzustands in einem im Strömungsabriß zustand befindlichen Gasturbinentriebwerk, das einen zwischen einem Verdichter und einer Turbine angeordneten Brennraum hat, gekennzeichnet durch:β) eine Einrichtung (42, 95) zum Überwachen des Druckes in dem Brennraum (24) des Gasturbinentriebwerks (20, 70);b) eine Einrichtung (43, 90) zum Ermitteln des Einsetzens eines Strömungsabrisses in dem Gasturbinentriebwerk; undc) eine Einrichtung (55, 100) zum Modulieren einer zeitlich veränderlichen Komponente eines ersten variablen Parameters des Triebwerks im wesentlichen in Phase mit einer zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes nach dem Einsetzen des Strömungsabrisses, wodurch in dem Gasturbinentriebwerk ein Pumpzustand gefördert wird.
- 21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters eine vorbestimmte Beziehung zu der Amplitude des Brennraumdruckes hat.
- 22. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch:a) eine Einrichtung (53, 91) zum Überwachen des ersten variablen Parameters und zum Ermitteln eines vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wertes desselben; undb) eine Einrichtung ( 54, 94 ) zum Liefern des ersten variablen Parameters mit einer zeitlich konstanten Komponente nach dem Einsetzen des Strömungsabrisses, wobei die zeitlich konstante Komponente einen Wert innerhalb von etwa 25% des vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wertes desselben hat.
- 23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem Strömungsabriß vorhandene Wert des ersten Parameters ein Wert desselben ist, der vor dem Auftreten einer den Strömungsabriß bewirkenden Strömungsabrißursache vorhanden ist.
- 24. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste variable Parameter die Brenn-stoffzufuhr zu dem Brennraum (24) des Gasturbinentriebwerks (20, 70) ist.
- 25. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste variable Parameter die Wärmefreisetzungsgeschwindigkeit in dem Brennraum (24) des Gasturbinentriebwerks (20, 70) ist.
- 26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (101) zum Modulieren einer zeitlich veränderlichen Komponente der Wärmefreisetzung eine Einrichtung zum Modulieren einer zeitlich veränderlichen Komponente der Brennstoffzufuhr zu dem Brennraum (24) ist.
- 27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (101) zum Modulieren einer zeitlich veränderlichen Komponente der Brennstoffzufuhr eine Einrichtung ist, die die Verzögerung zwischen der Brennstoffzufuhr und der Wärmefreisetzung im wesentlichen kompensiert.
- 28. Anordnung nach Anspruch 24 oder 26, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (38) zum Begrenzen der Brennstoffzufuhr auf eine im wesentlichen maximale Nennbrennstoffzufuhr des Gasturbinentriebwerks (20) nach dem Einsetzen des Strömungsabrisses .
- 29. Anordnung nach Anspruch 24 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters eine vorbestimmte Beziehung zu der Amplitude des Brennraumdruckes hat, wobei die vorbestimmte Beziehung darin besteht, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters zu der Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes proportional ist.
- 30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters außerdem proportional zu einem vor dem Strömungsabriß vorhandenen Wert des ersten variablen Parameters ist.
- 31. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem Strömungsabriß vorhandene Wert des ersten variablen Parameters ein Wert desselben ist, der vor dem Auftritt der Strömungsabrißursache, die den Strömungsabriß bewirkt, vorhanden ist.
- 32. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß:a) das Gasturbinentriebwerk (70) einen Turbinenleitschaufelkranz (71) mit veränderbarem Eintrittsöffnungs- oder Halsquerschnitt hat; undb) der erste variable Parameter eine Verkleinerung des Halsquerschnittes beinhaltet.
- 33. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters eine vorbestimmte Beziehung zu der Amplitude des Brennraumdruckes hat, wobei die vorbestimmte Beziehung darin besteht, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten variablen Parameters proportional zu der Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des Brennraumdruckes ist.
- 34. Anordnung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der zeitlich veränderlichen Komponente des ersten Parameters von einem zweiten variablen Parameter des Gasturbinentriebwerks (70) abhängig ist.
- 35. Anordnung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite variable Parameter die Turbinendrehzahl des Gasturbinentriebwerks (70) ist.
- 36. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Beziehung so gewählt ist, daß die bauliche Beanspruchung, die auf das Gasturbinentriebwerk (20, 70) aufgrund der Modulation des ersten variablen Parameters ausgeübt wird, im wesentlichen minimiert ist.
- 37. Anordnung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Beziehung von einem zweiten variablen Parameter des Gasturbinentriebwerks (20, 70) abhängig ist.
- 38. Anordnung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite variable Parameter die Turbinendrehzahl des Gasturbinentriebwerks (20, 70) ist.
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