DE3615008C2

DE3615008C2 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern der Kühlluftströmung für Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE3615008C2
Application number: DE3615008A
Authority: DE
Inventors: Frederick John Pineo; Jose Thomas Alvarez
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-05-06
Filing date: 1986-05-02
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2006-05-03
Also published as: IT8620321A0; US4815928A; CA1263031A; GB2175048A; FR2581420A1; GB2175048B; JPS62630A; DE3615008A1; IT1204340B; GB8609741D0; FR2581420B1; JPH0476021B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern der Kühlluftströmung für Turbinen schaufeln in einem Gasturbinentriebwerk gemäß dem Ober begriff des Patentanspruches 1 bzw. 4. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Einrichtung sind aus der GB 20 62 763 A bekannt.

In einem Gasturbinentriebwerk prallt ein extrem heißer (etwa 1200 bis 1370°C) Gasstrahl auf eine Turbine auf, wodurch die Turbine in Drehung versetzt wird und dadurch Leistung erbringt. Es ist bekannt, die Turbinenschaufeln zu kühlen, indem eine Luftströmung intern durch die Schaufeln hindurchgeleitet wird. Diese Hindurch leitung von Kühlluft ist teuer in dem Sinne, daß die Kühl luftströmung von einer Leistung erzeugenden Luftströmung abgezweigt wird. Es ist deshalb wünschenswert, die Turbi nenschaufelkühlung zu reduzieren oder zu eliminieren, wenn sie nicht notwendig ist.

Aus US-PS 44 16 111 ist eine Steuereinrichtung für Kühlluft für den Turbinenabschnitt von einem Gasturbinentriebwerk bekannt, die eine Ventileinrichtung enthält, die als Antwort auf vorbestimmte Triebwerksbedingungen geöffnet und geschlossen wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Verfahren und die Einrichtung zum Steuern der Kühlluftströmung derart auszugestalten, daß die Kühlluft effizient ausgenutzt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Maßnahmen bzw. Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst.

Die Erfindung und dadurch erzielbare Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungs beispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gas turbinentriebwerks.

Fig. 2 stellt ein Programm bzw. eine Steuerkurve dar, die auf einer korrigierten Verdichterdrehzahl (N/√Θ) über dem Gesamtdruck an dem Verdichtereinlaß (PT2) basiert.

Fig. 3 zeigt ein Fließbild, das den Betrieb von einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, zapft eine Abzweigung 3 Luft 6 von einem Verdichter 9 in einem Gasturbinentriebwerk ab und leitet diese Luft zu einer Hochdruckturbine 12. Die Luft gelangt durch interne Kanäle in die Hochdruckturbine, strömt durch die Turbinenschaufeln 15 und verläßt die Schau feln durch Löcher (nicht gezeigt) als Gasströmungen 18 und 21. Die Gasströmungen 18 und 21 vereinigen sich mit heißen Verbrennungsgasen 24, die durch einen Brenner 27 geliefert werden, und die vereinigten Ströme prallen auf eine Ar beits- bzw. Leistungsturbine 30 auf. Die Leistungsturbine 30 kann mit einer Welle verbunden sein, die beispielsweise einen Helicopter-Rotor antreibt.

Die Einzelheiten der Abzapfung von Verdichterluft und der Leitung dieser Luft zu der Hochdruckturbine sind an dieser Stelle nicht von Bedeutung. Es sind verschiedene Fluid schaltungen und -mechanismen bekannt, um Verdichterluft abzuzweigen und diese durch die Turbinenschaufeln 15 zu leiten. Wichtig ist hier die Steuerung eines Ventils 33, das in die Abzweigströmungs bahn (angedeutet durch Pfeile 6) eingefügt ist, um da durch die Kühlströmung zu steuern bzw. zu verändern.

Fig. 2 zeigt ein Programm bzw. eine Steuerkurve 36, die zum Steuern des Ventils 33 in Fig. 1 verwendet ist. Der gesamte Verdichtereinlaßdruck (PT2, gemessen durch einen Drucksensor 34 in Fig. 1) ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. PT2 in Fig. 2 stellt in einem allge meinen Sinne die Flughöhe des Triebwerks und dementspre chend die Luftdichte der Kühlluftströmung dar. Die klei neren Verdichtereinlaßdrucke PT2 entsprechen einer größe ren Flughöhe und, dementsprechend, die höheren Verdichter einlaßdrucke PT2 den geringeren Flughöhen. Diese Fakten gelten für Unterschall-Flugzeuganwendungen. Für den allge meinen Fall (einschließlich Überschall-Flugzeugen) kann eine weitere Eingabe der Flugmachzahl verwendet werden, um das Programm bzw. die Steuerkurve zu ermitteln. Eine Imple mentation dieser weiteren Eingabe ist allgemein bekannt.

N/√Θ stellt auf der vertikalen Achse die korrigierte Triebwerksdrehzahl ("Drehzahl") dar, die in bekannter Weise definiert ist und durch den Drehzahlsensor 34A in Fig. 1 gemessen wird. Diese Drehzahl ist diejenige, die für ein nominal arbeitendes Triebwerk bei einem bestimmten Einlaß druck PT2 erwartet wird. Die Einheiten für PT2 sind der Absolutdruck in bar, während die Einheiten der korrigierten Drehzahl ein Prozentsatz der Nenndrehzahl sind. Das Pro gramm bzw. die Steuerkurve 36 gibt einen Drehzahl schwellwert als eine Funktion von PT2 an. Die Steuerkurve 36 in Fig. 2 ist in sechs Abschnitte durch gestrichelte Li nien 37 und 38 unterteilt. Die Abschnitte sind mit den Buchstaben A-F bezeichnet.

Wenn der Triebwerksbetrieb Drehzahl- und PT2-Datenpunkte hat, die unter der Steuerkurve 36 liegen (d. h. in Abschnit ten A-C), schließt ein Stellmotor oder Servo 39 in Fig. 1 das Ventil 33. Wenn umgekehrt das Triebwerk oberhalb der Steuerkurve 36 arbeitet (d. h. in Bereichen D-F), öffnet der Servo 39 das Ventil.

Die Steuerkurve 36 in Fig. 2 besitzt drei wich tige Merkmale. Erstens ist bei niedrigen Flughöhen (ober halb PT2 von 1 bar (14,7 psia) Absolutdruck im Abschnitt A) das Ventil bei allen Flughöhen geschlossen, wenn die korri gierte Drehzahl unter 92% abfällt. Ein Grund hierfür be steht darin, daß das Schließen des Ventils unter diesen Bedingungen den spezifischen Brennstoffverbrauch verbes sert, hauptsächlich durch Eliminieren der Ableitung der Luftströmung 6 in Fig. 1. Zweitens ist bei großer Flughöhe (unterhalb PT2 von 0,4 bar (5,4 psia) im Abschnitt C) das Ventil geschlossen für alle Drehzahlen unter 96,75%. Ein Grund hierfür besteht darin, daß ein Nennpunkt für den spe zifischen Brennstoffverbrauch (SFC-Punkt) bei beispielswei se einem Verdichtereinlaßdruck PT2 von 0,56 bar (8 psia) und einer Drehzahl von 94,5% erfordert, daß das Ventil ge schlossen wird. Der SFC-Nennpunkt wird durch den Trieb werkskonstrukteur bestimmt. Drittens ist die Steuerkurve 36 linear (sie bildet eine Grenze zwischen den Abschnitten B und E) zwischen dem für eine niedrige Drehzahl und eine niedrige Flughöhe geltenden Bereich und den für eine hohe Drehzahl und eine hohe Flughöhe geltenden Bereichen (d. h. es existiert eine lineare Interpolation zwischen den Punk ten 42 und 45). Der Begriff "linear" bedeutet eine gerade Linie mit einer Gleichung der Form Y = MX + B, wobei Y die Größe auf der vertikalen Achse in Fig. 2 ist, X die Größe auf der horizontalen Achse ist und B der Schnitt punkt mit der Y-Achse ist.

Die Erfindung verwendet die Steuerkurve gemäß Fig. 2 wie folgt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird PT2 einer Programm- oder Steuereinrichtung 48 zugeführt, die das Programm bzw. die Steuerkurve gemäß Fig. 2 enthält. Für den gegebenen Verdichtereinlaßdruck PT2 wird der Drehzahl-Schwellwert (bezeichnet als "N/√Θ-Schwellwert") auf der Leitung 51 als eine Ausgangsgröße erhalten. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann PT2 beispielsweise 0,62 (8,8) betragen, und hier für wird die Schwellwert-Drehzahl von etwa 95,5% erhalten, wie es durch die gestrichelten Linien 54 und 57 gezeigt ist. Diese korrigierte Drehzahl von 95,5% ist auf der Leitung 51 in Fig. 3 vorhanden.

Wie durch das Kästchen 60 gezeigt ist, wird die tatsächli che korrigierte Triebwerksdrehzahl (N/√Θ) auf der Lei tung 63 mit der Schwellwert-Drehzahl auf der Leitung 51 verglichen. Wenn die tatsächliche Drehzahl die Schwellwert- Drehzahl überschreitet, wie es durch das Symbol JA am oberen Ende des Kästchens 60 gezeigt ist, wird das Kühl ventil 33 geöffnet, wie es durch das Symbol CV=1 angegeben ist. Wenn die tatsächliche Drehzahl die Schwellwert-Dreh zahl nicht überschreitet, wie es durch das Symbol NEIN an der rechten Seite des Kästchens 60 angegeben ist, dann wird eine Abfrage bezüglich der tatsächlichen Temperatur ("T4B", gemessen durch den Temperatursensor 61 in Fig. 1) der Turbinenschaufeln vorgenommen, wie es durch das Käst chen 66 angedeutet ist.

Eine begrenzende Temperatur ("T4B-Grenzwert"), die im voraus durch den Triebwerkskonstrukteur bestimmt wird, ist auf einer Leitung 67 vorhanden. Am Kästchen 66 wird abgefragt, ob die tatsächliche oder Ist-Temperatur den Grenzwert über schreitet. Wenn dies der Fall ist, wie es durch das Symbol JA am oberen Ende des Kästchen 66 angedeutet ist, dann wird das Kühlventil 33 geöffnet, wie es durch das Symbol CV=1 gezeigt ist. Wenn die tatsächliche oder Ist-Tempera tur unterhalb des Grenzwertes liegt, schreitet die logi sche Verknüpfungsschaltung zum Kästchen 71 fort, wo eine Abfrage gemacht wird, ob die Ist-Temperatur über 55°C (100°F) unterhalb des Grenzwertes auf der Leitung 67 ist. (Am Kästchen 71 wird abgefragt, ob T4B größer als der Grenzwert minus 55°C ist.) Eine Entscheidung NEIN auf der rechten Seite des Kästchens 71 gibt an, daß die Schaufel genügend kalt ist, so daß das Kühlventil 33 geschlossen ist, wie es durch CV=0 angegeben ist. Wenn die Antwort JA ist, an der Oberseite des Kästchens 71, dann bleibt die Stellung des Kühlventils 33 unverändert ("CV=CV").

Das Kästchen 71 führt einen Hysterese-Schutz in das System ein, denn wenn das Ventil 33 einmal geöffnet ist aufgrund der Temperatur (die Entscheidung JA am oberen Ende des Kästchens 66 wurde erhalten), dann wird das Ventil wegen der Temperatur nicht geschlossen, bis die Temperatur mehr als 55°C (100°F) unter den Grenzwert (T4B-Grenzwert) ab fällt. (In diesem Fall bewirkt die Entscheidung NEIN das Ergebnis CV=0). Dieser Hysterese-Schutz dient dazu, ein Prellen zu verhindern, wenn die Ist-Temperatur TB4 der Tur binenschaufel nahe dem T4B-Grenzwert auf der Leitung 67 ist.

Die in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene logische Ver knüpfungsschaltung kann auf einfache Weise in ein digita les Computerprogramm implementiert werden. Der Druck P2, die Drehzahl N/√Θ und die Temperatursignale T4B und T4B-Grenzwert sind tatsächlich digitale Signale, die dem Computer zugeführt werden, der das Programm in bekannter Weise ablaufen läßt. Das Programm wiederholt kontinuierlich die Operationen der Blöcke 48, 60, 66 und 71 während des Fluges des Flugzeuges. Somit wird deutlich, daß immer dann, wenn die Logikschaltung die Bahn verläßt (beispiels weise auf der JA-Leitung oberhalb des Kästchens 60), die Verknüpfungsschaltung am Block 48 neu beginnt. Dies ver hindert eine Anomalie, wie sie auftreten würde, wenn die Drehzahl oberhalb N/√Θ-Schwellwert, aber die Schaufel temperatur unter T4B-Grenzwert ist. Wenn die Verknüpfungs schaltung das Programm nicht auf der JA-Leitung oberhalb des Kästchens 60 verlassen hat, dann würden die Kästchen 60 und 71 das Ventil 33 lediglich auf einer zyklischen Basis öffnen und schließen. Der Stellmotor bzw. Servo 39 ist allgemein bekannt.

Zusammenfassend wurden ein Verfahren und eine Einrichtung beschrieben, bei denen die Zufuhr von Verdichterabzapfluft zum Kühlen der Hoch druckturbine in einer binären, Ein/Aus-Funktion moduliert bzw. gesteuert wird: das Ventil 33 ist entweder geschlos sen oder geöffnet und es wird nicht mit Zwischenstellungen gerechnet. Ferner ist die Steuerung eine Funktion von Flughöhe und Triebwerksdrehzahl (auf der Basis der Steuer kurve in Fig. 2) und auch eine Funktion der Temperatur der Turbinen schaufeln. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat ein Betrieb in den Abschnitten D-F in Fig. 2 zur Folge, daß das Ventil zur Schaufelkühlung geöffnet wird, und ein Betrieb in den Abschnitten A-C hat zur Folge, daß das Ven til für einen verbesserten Brennstoffverbrauch geschlossen wird.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Kühlluftströmung für Tur binenschaufeln in einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk durch Beibehalten oder Beenden der Kühlluftströmung auf der Basis von Flugzeug-Flughöhe, Triebwerksdrehzahl und Schaufeltem peratur, gekennzeichnet durch

a) Erstellen eines Programms bzw. einer Steuerkurve von Triebwerks-Schwellwertdrehzahlen,
b) Beibehalten der Kühlluft, wenn die tatsächliche oder Ist-Drehzahl eine Schwellwert-Drehzahl überschreitet und, wenn nicht, dann
c) Beibehalten der Kühlluft, wenn die Schaufeltempera tur einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet und, wenn nicht, dann
d) Beenden der Kühlluft, wenn die Schaufeltemperatur um einen vorbestimmten Betrag unter den Grenzwert abfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

(i) Festlegen einer ersten Schwellwert-Drehzahl, wenn die Flughöhe des Flugzeuges oberhalb einer vorbestimmten Flughöhe (42) ist,
(ii) Festlegen einer zweiten Schwellwert-Drehzahl, wenn das Flugzeug unterhalb einer vorbestimmten Flughöhe (45) ist,
(iii) Festlegen einer Reihe von linear interpolierten Schwellwert-Drehzahlen, wenn das Flugzeug zwischen den ersten und zweiten Flughöhen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftströmung unabhängig davon beibehalten wird, ob die Triebwerksdrehzahl unterhalb der interpolierten Schwellwert-Drehzahl ist, wenn die Schaufeltemperatur den vorbestimmten Grenzwert überschreitet, und die Kühlluft strömung beendet wird, wenn die Schaufeltemperatur um einen vorbestimmten Betrag unter den Grenzwert der Schaufeltempe ratur abfällt.

4. Einrichtung zum Steuern der Kühlluftströmung für Turbinenschaufeln in einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, das zu der Drehzahl des Triebwerks in Beziehung steht, einer Ein richtung zum Erzeugen eines Signals, das zu der Temperatur der Turbinenschaufeln in Beziehung steht, und einer Ein richtung, die mit den die Drehzahl-, Flughöhen- und Tempe ratursignale erzeugenden Einrichtungen verbunden ist, zum Verändern der Kühlluftströmung für die Turbinenschaufeln, wobei das Flugzugtriebwerk ein Ventil (33) aufweist, das die Kühlluftströmung zu den Turbinenschaufeln steuert, gekennzeichnet durch:

a) eine mit dem Flughöhensignal in Verbindung stehende Steuereinrichtung (48) zum Erzeugen eines Schwellwert- Drehzahlsignals,
b) eine Einrichtung (60) zum Vergleichen des Schwell wert-Drehzahlsignals mit dem Triebwerks-Drehzahlsignal und zum Öffnen des Ventils (33) , wenn die Triebwerks-Drehzahl das Schwellwert-Drehzahlsignal überschreitet,
c) eine Einrichtung (66) zum Vergleichen des Schaufel temperatursignals mit einem ersten Temperatur-Grenzwert und zum öffnen des Ventils (33), wenn die Schaufeltemperatur den ersten Temperatur-Grenzwert überschreitet,
d) eine Einrichtung (71) zum Vergleichen des Schaufel temperatursignals mit einem zweiten Temperatur-Grenzwert, um daraufhin
(i) das Ventil (33) zu schließen, wenn die Schaufel temperatur unter den zweiten Grenzwert abfällt,
(ii) das Ventil (33) in seinem gegenwärtigen Zustand zu halten, d. h. entweder offen oder geschlossen, wenn die Schaufeltemperatur oberhalb des zweiten Grenzwertes ist.