DE3415165C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung oder Steuerung bzw. Regelung von thermischen Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerken, nach dem Kriterium Werkstoff­ beanspruchung von Komponenten, die einem instationären Verlauf der Betriebsparameter (Temperatur, Druck, Dreh­ zahl) ausgesetzt sind, aufgrund derer in Zeitschritten Δ t zu Zeitpunkten t des Betriebs die momentan herrschen­ de Temperaturverteilung in der betrachteten Komponente ermittelt wird, um die sich daraus ergebenden Wärme­ spannungen und Gesamtbeanspruchung der Komponente zu errechnen und daraus entweder den Lebensdauerverbrauch zu registrieren oder unmittelbar in das Betriebsver­ halten der Strömungsmaschine einzugreifen.

In Maschinen- und Anlagenkomponenten, die im Betrieb erhöhten Temperaturen und Temperaturschwankungen unter­ worfen sind, treten in Abhängigkeit von den Betriebs­ bedingungen Temperaturdifferenzen auf. Diese hängen im stationären Falle nur von den momentan herrschenden Betriebsbedingungen ab, im instationären Falle jedoch auch von den vorangegangenen Betriebszuständen bzw. den vorhergehenden Bauteiltemperaturen. Diese Temperatur­ differenzen verursachen Wärmespannungen, die sich den Spannungen aus äußeren Lasten, wie Einzelkräften, Drücken usw., überlagern und nicht selten wesentlichen Anteil an der gesamten Werkstoffbeanspruchung haben. Da­ rüber hinaus verringern erhöhte Temperaturen die Werk­ stoff-Festigkeit u. U. erheblich.

Sowohl die monotone Werkstoffbeanspruchung, wenn sie bestimmte Werte überschreitet, als auch die während des gesamten Betriebs entstehende zyklische Bean­ spruchung (Low Cycle Fatique, LCF) führen zur Schädigung der Komponente. Beide Beanspruchungsarten müssen daher überwacht und, wenn möglich, bei der Steuerung bzw. Regelung der Maschine berücksichtigt werden.

Dazu müssen die Werkstoff-Temperaturen und die thermisch bedingte Beanspruchung der Komponenten in Abhängigkeit vom tatsächlichen Betriebsverlauf ermittelt werden. Die direkte Messung dieser Größen ist oft nicht möglich, ins­ besondere können Temperaturen und Wärmespannungen von rotierenden Komponenten häufig nicht gemessen werden. Ihre hinreichend genaue Bestimmung aus anderen, leichter ver­ fügbaren Meßgrößen stößt bisher, besonders bei komplexer Geometrie der Komponenten und wegen der Zeitabhängigkeit der Temperaturentwicklung innerhalb der Komponenten, auf Schwierigkeiten. In der Regel kann aus den physikalisch- mechanischen Gesetzmäßigkeiten keine explizite (Rechen-) Vorschrift für die Temperaturverteilung und die Wärme­ beanspruchung hergeleitet werden. Für die genannten Steuerungs- und Regelungsaufgaben müssen Temperaturen und Werkstoffbeanspruchungen in Echtzeit ermittelt werden.

Der Einsatz bekannter numerischer Rechenmethoden (wie Finite-Element-Methoden und Differenzverfahren) kommt aber in vielen Fällen nicht in Betracht, da diese zu langsam für den Echtzeit-Einsatz arbeiten, und da die benötigte Hardware zu umfangreich ist. Diese Situation ist insbe­ sondere bei Flugtriebwerken gegeben. Zur Festigkeits­ mäßigen Auslegung wie auch bei der Ermittlung der LCF- Schädigung im Betrieb sind neben den Fliehkraftspannungen die Wärmespannungen zu bestimmen, die in Abhängigkeit vom Triebwerksbetrieb auftreten. Als Information über den momentanen Betriebszustand stehen nur allgemeine Flug- und Betriebsparameter, wie Totalzustände am Trieb­ werkseintritt, Rotordrehzahlen und eine Gastemperatur im Primärstrom nach der Brennkammer zur Verfügung. Temperaturmessungen sind während des normalen Betriebes am Rotor nicht möglich. Aus den genannten Parametern müssen die zugehörigen zeitlichen Verläufe von Temperatur­ verteilung und Wärmespannung ermittelt werden.

Aus der US-PS 42 28 359 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem Temperaturverläufe eines Turbinenrotors mit Hilfe eines eindimensionalen Differenzen­ verfahrens ermittelt werden. Mit dem vorbekannten Ver­ fahren nach dieser Druckschrift lassen sich zwar Temperatur­ verteilungen in Echtzeit ermitteln, der Echtzeit-Rechen­ aufwand hierfür ist jedoch, wie sich aus der Druckschrift in anschaulicher Weise ergibt, erheblich, insbesondere dann, wenn ein stark instationäres Betriebsverhalten mit der entsprechend über der Zeit variablen Temperatur­ verteilung unterstellt werden. Aufgrund dieses erheblichen Echtzeit-Rechenaufwandes kommt das dort offenbarte Ver­ fahren nur für stationär angeordnete Strömungsmaschinen in Betracht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die thermisch bedingten Werkstoffbeanspruchungen der Komponenten einer thermischen Strömungsmaschine unter Berücksichtigung von deren Zeitabhängigkeit in Echtzeit genau zu bestimmen, wobei der apparative Aufwand so klein gehalten werden soll, daß die Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens auch an nicht stationär betriebenen Maschinen angeordnet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem gattungsgemäßen Verfahren die Ermittlung der momentan herrschenden Temperaturverteilung in der Komponente durch Auswahl eines Temperaturverlaufs aus einer Vielzahl von gespeicherten Mustertemperatur­ verläufen der Komponente mit zugehörigen Musterbe­ triebsparametern erfolgt, wobei als Suchgröße für den Speicher die tatsächlichen Betriebsparameter der Maschine zum Zeitpunkt t und die vorher zum Zeitpunkt t - Δ t er­ mittelte Temperaturverteilung herangezogen werden.

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß zum Zeitpunkt der Bestimmung der jeweils aktuellen Temperatur­ verteilung (Zeitpunkt des Einsatzes) die Verhältnisse mit allgemeinen physikalischen Gesetzmäßigkeiten nicht jeweils genau modelliert werden müssen, sondern daß die gesuchten Temperaturverläufe aus Musterverläufen gewonnen werden, die das tatsächliche Temperaturverhalten der jeweiligen Komponente direkt wiedergeben. Dabei werden viele gespeicherte Musterverläufe für typische Lastfälle der betrachteten Maschine benutzt, die entsprechend den aktuellen Betriebsparametern variiert werden, so daß das ganze Spektrum der auftretenden Betriebsfälle abgedeckt ist. Jeder dieser gespeicherten Musterverläufe beschreibt das Simultanverhalten der gesamten Komponente. Damit wird berücksichtigt, daß sich die Temperaturen der ein­ zelnen Punkte der Komponente nicht unabhängig voneinander entwickeln, sondern über Wärmeleitvorgänge sich unmittelbar beeinflussen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es demnach, die Ermittlung der gesuchten Temperaturver­ teilungen sehr genau vorzunehmen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß infolge der vielen ge­ speicherten Mustertemperaturverläufe die gesuchten Temperatur­ verteilungen der Komponente in kleinen Zeitintervallen ermittelt werden können, ohne daß der Echtzeit-Rechenaufwand einen Umfang annähme, der die Überwachungseinrichtung baulich so aufwendig und voluminös machen würde, daß eine unmittelbare Anordnung an einer nicht stationär betriebenen Maschine nicht mehr sinnvoll wäre.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungs­ gemäße Verfahren dadurch, daß zur Erhöhung der Genauigkeit der gesuchten tatsächlichen Temperaturverteilung eine Interpolation aus mehreren dem gesuchten Temperaturver­ lauf am nächsten kommenden Mustertemperaturverläufen erfolgt. Die Zahl der gespeicherten Mustertemperaturver­ läufe kann mit Hilfe dieser Interpolationsmethode beschränkt werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 das Schema einer Einrichtung zur Er­ mittlung der betriebsabhängigen Temperatur­ verteilung einer Gasturbinenkomponente in Echtzeit;

Fig. 2 eine Einrichtung zur Bestimmung und Überwachung der Lebensdauer von Flug­ triebwerksrotoren bezüglich ihrer LCF- Schädigung;

Fig. 3 eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Turbo-Generatoren-Anlage unter Berück­ sichtigung der betriebsabhängigen LCF- Schädigung.

Mit der Einrichtung nach Fig. 1 wird die instationäre Ent­ wicklung der Temperaturverteilungen T (t) in der Komponente zeitschrittweise ermittelt, wobei die Zeitschrittweite Δ t beträgt.

Die Einrichtung benötigt als Eingangssignal diejenigen von den Betriebsbedingungen abhängenden Temperaturen (z. B. die Temperatur des Arbeitsmittels) oder äquivalente Größen, die die Temperatur der Komponente bestimmen (die be­ schriebene Eingangsgröße wird "Führungstemperatur" TF, genannt) sowie eventuelle weitere maschinenspezifische Größen 1, die insbesondere das Wärmeübergangs- und -leit­ verhalten der Komponente beeinflussen (z. B. Drehzahl, Druck des Arbeitsmittels).

In einem Lesespeicher 2 liegt ein Satz von Mustertemperatur­ verläufen vor. Diese beschreiben die zeitliche Entwicklung gewisser Anfangstemperaturverteilungen unter ausgewählten Musterbetriebsparametern und bestehen aus einer Folge instationärer Temperaturverteilungen. Die aktuelle Tempe­ raturverteilung T (t - Δ t) (13) der Komponente wird zu Beginn eines jeden Zeitschrittes mit den Mustertemperatur­ verläufen aus dem als Datenspeicher dienenden Lesespeicher 2 verglichen. In dem Selektor 3 werden diejenigen instationären Mustertemperaturverteilungen 4 ausgewählt, die nach Berück­ sichtigung des Unterschiedes zwischen aktueller Führungs­ temperatur und der bei der Ermittlung der Mustertempe­ raturverläufe zugrunde gelegten Führungstemperatur am wenigsten von der aktuellen Temperaturverteilung abweichen. Im Analysator 5 werden Gewichtsfaktoren 6 derart bestimmt, daß sich die aktuelle Temperaturverteilung als gewichtetes Mittel der ausgewählten Mustertemperaturverteilungen dar­ stellen läßt.

Die Änderungsraten, mit denen sich die Mustertemperatur­ verteilungen ändern, können aus dem Datenspeicher 2 der Mustertemperaturverläufe gelesen werden. In einem Adaptor 7 werden die Temperaturänderungsraten an die aktuellen Betriebsbedingungen angepaßt, indem aus diesen ein Faktor ermittelt wird, mit dem die Änderungsraten der Mustertempe­ raturverteilungen beaufschlagt werden. Die Ermittlung dieses Faktors erfolgt maschinenspezifisch und hängt von den ver­ fügbaren gemessenen Betriebsparametern 1 ab. Die so er­ haltenen Temperaturänderungsraten 8 werden mit den im Analysator 5 bestimmten Gewichtsfaktoren 6 gemittelt, woraus sich die aktuelle Temperaturänderungsrate 9 für den vorliegenden Betriebsfall ergibt. Nach Ausführung des Zeitschrittes Δ t im Integrator 10 wird am Ausgang 11 eine resultierende Temperatur in gewünschter Form ausgegeben. Im folgenden Zeitschritt steht diese Temperatur am Ausgang eines Verzögerungselementes 12 als aktuelle Temperatur 13 zur Verfügung.

Die thermisch bedingten Werkstoffbeanspruchungen lassen sich für jedes Gebiet des betreffenden Bauteils aus der Temperaturverteilung durch einfache Zusammenhänge (z. B. Linearkombinationen der Temperaturen) bestimmen, die je­ doch von den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten ab­ hängen.

In dem in Fig. 2 dargestellten Fluggasturbinentriebwerk sind Scheiben von Verdichterrotoren 14 und Turbinen­ rotoren 15 enthalten, mit einer Reihe von Gebieten, deren LCF-Lebensdauerverbrauch überwacht werden muß. Die Totaltemperatur T _t und der Totaldruck p _t des Arbeits­ mittels am Eintritt 16 des Triebwerks und die Drehzahl N der Welle 17 werden als charakteristische Betriebs­ parameter gemessen.

Die Meßsignale werden einer Recheneinheit 23 zugeführt, die für die betrachteten Verdichter- und Turbinenstufen eines jeweiligen Rotors die Führungstemperatur T _F , hier die Temperatur des Arbeitsmittels über der jeweiligen Stufe, bestimmt. In einem Prozessor 24 werden aus dieser Führungstemperatur T _F und der Drehzahl N für jeden Zeit­ schritt Δ t die Temperaturverteilung T der betrachteten Scheibe nach dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Ver­ fahren und die zugehörigen Wärmespannungen σ ermittelt. Diese Werte werden an eine Recheneinheit 25 übergeben, die die entsprechende Schädigung D berechnet und akkumuliert und an der Ausgabe 26 zur Anzeige bringt.

In Fig. 3 ist eine Turbo-Generatoren-Anlage zur Strom­ erzeugung dargestellt. Bei größeren Änderungen des Betriebszustandes, wie sie besonders beim Anfahren auftreten oder bei größeren Laständerungen, entstehen im Turbinen­ rotor instationäre Temperaturverteilungen, die zu erheb­ lichen Wärmespannungen und damit zu LCF-Schädigungen führen können. Eine Einrichtung in der das erfindungs­ gemäße Verfahren durchgeführt wird, sorgt in diesem Aus­ führungsbeispiel als zusätzliche Komponente des Reglers dafür, daß die bei Betriebsänderungen entstehenden LCF- Schädigungen möglichst klein gehalten bzw. gewisse Grenzwerte von den entstehenden Wärmespannungen nicht überschritten werden.

Aus dem Sollwert 31 und dem Istwert 32 der Leistung eines Generators 33 berechnet ein Regler 34 einen Wert 35 der Stellgröße für ein Regelventil 39 der Turbine 40. Die Einrichtung 36 ermittelt die aus diesem angeforderten Wert resultiernde Wärme­ spannung bzw. LCF-Schädigung 37. Je nach Ergebnis wird der Wert 35 der Stellgröße freigegeben oder auf ein zulässiges Maß verringert, so daß das Ventil 39 nicht mit dem Wert 35 sondern mit einem modifizierten Wert 38 der Stellgröße beaufschlagt wird.

Claims (2)

1. Verfahren zur Überwachung oder Steuerung bzw. Regelung von thermischen Strömungsmaschinen, insbesondere Flug­ triebwerken, nach dem Kriterium Werkstoffbeanspruchung von Komponenten, die einem instationären Verlauf der Betriebsparameter (Temperatur, Druck, Drehzahl) ausge­ setzt sind, aufgrund derer in Zeitschritten Δ t zu Zeitpunkten t des Betriebs die momentan herrschende Temperaturverteilung in der betrachteten Komponente ermittelt wird, um die sich daraus ergebenden Wärme­ spannungen und Gesamtbeanspruchung der Komponente zu errechnen und daraus entweder den Lebensdauerver­ brauch zu registrieren oder unmittelbar in das Be­ triebsverhalten der Strömungsmaschine einzugreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der momentan herrschenden Temperaturverteilung in der Komponente durch Auswahl eines Temperaturverlaufs aus einer Vielzahl von gespeicherten Mustertemperatur­ verläufen der Komponente mit zugehörigen Musterbe­ triebsparametern erfolgt, wobei als Suchgröße für den Speicher die tatsächlichen Betriebsparameter der Maschine zum Zeitpunkt t und die vorher zum Zeitpunkt t - Δ t ermittelte Temperaturverteilung herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Genauigkeit der gesuchten tat­ sächlichen Temperaturverteilung eine Interpolation aus mehreren dem gesuchten Temperaturverlauf am nächsten kommenden Mustertemperaturverläufen erfolgt.