DE69203063T2

DE69203063T2 - Schutzsystem gegen die Löschung einer Turbomaschine bei Eindrigen von Wasser oder Hagel.

Info

Publication number: DE69203063T2
Application number: DE69203063T
Authority: DE
Inventors: Pierre Charles Mouton
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1991-09-18
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2012-09-18
Also published as: CA2078170C; FR2681377A1; DE69203063D1; EP0533567B1; US5265414A; CA2078170A1; EP0533567A1; FR2681377B1

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine Schutzvorrichtung gegen das Abschalten einer Turbomaschine bei starkem Eindringen von Wasser oder Hagel zum Gegenstand.
Die herkömmlicherweise in der Luftfahrt verwendeten Turbomaschinen weisen stromaufwärts wenigstens einen Axialkompressor auf, der einer stromabwärts vom Kompressor gelegenen Verbrennungskammer ausreichend komprimierte Luft bereitstellt, damit diese mit einer geeigneten Treibstoffmenge vermischt wird, die verbrannt wird.
Solche Axialkompressoren nehmen stirnseitig die zum Betrieb der Turbomaschine notwendige Luftmenge auf, können aber auch je nach atmosphärischen Bedingungen massiv Wasser oder Hagel aufnehmen, beispielsweise wenn das Flugzeug auf ein Gewitter trifft oder eine Wolkenformation durchquert. Das dadurch aufgenommene Wasser oder der Hagel kann also Fehlfunktionen der Turbomaschine verursachen.
Wenn der Motor im Vollastbereich betrieben wird, erhöht der Kompressor die Temperatur der ihn durchquerenden Luft und des aufgenommenen Wassers in ausreichender Weise, so daß dieses Wasser verdampft wird und auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht wird, so daß kein Abschalten der Verbrennungskammer verursacht wird.
Im Gegensatz dazu ist, wenn das Flugzeug in einer Sinkbewegung bei der Annäherung oder bei der Landung ist, der Motor im Leerlaufbereich und das Kompressionsverhaltnis ist niedrig. In diesem Fall kann das Wasser im flüssigen Zustand oder in Eispartikelform bis zu der Verbrennungskammer gelangen, wodurch ein Abschalten (Erlöschen) von einem oder mehreren Verbrennungsgeräten und sogar der Verbrennungskammer und der Stop des Motors hervorgerufen wird, was somit eine besonders kritische Landung zur Folge hat.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche kritischen Situationen durch eine automatische Anhebung des Leerlaufs des Motors zu vermeiden, wenn die erfaßte Wassermenge in dem Motor einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
Die durch den Stand der Technik bekannten Lösungen für das Problem des massiven Einbruchs von Wasser oder von Hagel für die Turbomaschinen besteht in der Anbringung von mechanischen Hindernissen oder Vorrichtungen zur Trennung der Partikel von der Luft, beispielsweise Siebe, Trennzentrifugen oder Nasenhauben, die eine Ableitung der Partikel verursachen, in dem Weg der Luft, die durch die Turbomaschine aufgenommen wird. Indessen sind solche Konstruktionen mehr oder weniger kompliziert und nicht vollständig zufriedenstellend.
Eine weitere bekannte Lösung besteht in dem Eingriff des Piloten auf den Gashebel, um den Drehzahlbereich des Motors zu erhöhen, wenn das Flugzeug einen Bereich starken Regens oder eines Gewitters durchquert, der eine Fehlfunktion des Motors verursachen kann, wenn der Drehzahlbereich nicht erhöht wird. Eine solche Lösung hat den Nachteil, daß der Pilot eingreifen muß.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, in die Motorsteuerung einzugreifen dank der Verwendung von Parametern, die bei dem Betrieb des Motors gemessen werden, wobei diese Parameter schon zu anderen Zwecken der Steuerung und Regelung verwendet werden.
Die Erfindung weist daher den Vorteil auf, daß sie Meßwerte verwendet, die durch schon vorhandene Sensoren gemessen werden, die elektronische Vorrichtung einfach und billig ist und keinen Eingriff des Piloten benötigt.
Die Erfindung hat also ein System zum Gegenstand mit wenigstens zwei Hauptvorrichtungen: eine erste Vorrichtung zur Erfassung der kritischen Wassermenge in dem Motor mit:
- der Meßwerterfassung der Temperatur T&sub3; am Kompressorausgang, der Temperatur T&sub2; am Kompressoreingang und der Drehzahl N des Motors,
- der Betriebspunktberechnung T&sub3; - T&sub2; = f (N²) und
- dem Vergleich dieses Betriebspunkts mit der kritischen Grenze (T&sub3; - T&sub2;), die für die Turbomaschine bei der gemessenen Drehzahl N zulässig ist,
und eine zweite Vorrichtung, die die Erhöhung der Leerlaufdrehzahl des Motors bei Erfassung einer kritischen Wassermenge durch die erste Vorrichtung ermöglicht.
Die Erfindung wird besser ersichtlich bei Durchsicht der detaillierten Beschreibung, die beispielsweise bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
- Fig. 1 zwei Kurven, die die Temperaturerhöhung in einem Kompressor abhängig von der Drehzahl des Motors darstellen, wenn die Luft trocken und wenn die Luft mit einer kritischen Wassermenge beladen ist,
- Fig. 2 zwei Kurven, die den Verlauf des Verbrennungswirkungsgrades darstellen, wenn die Luft trocken ist, und wenn die Luft mit einer kritischen Wassermenge beladen ist,
- Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Konstruktion, und
- Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die erste Vorrichtung zur Erfassung der kritischen Wassermenge in dem Motor hat gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Tatsache zur Grundlage, daß ein Kompressor die Temperatur der ihn durchquerenden Luft gemäß vorbestimmten Kennlinien erhöht, die in Fig. 1 dargestellt sind, wo sie durch Kurven 1 und 2 wiedergegeben sind, die die Temperaturdifferenz Δ T zwischen dem Ausgang T&sub3; und dem Eingang T&sub2; des Kompressors abhängig von der Drehzahl des Kompressors
darstellen, wenn die aufgenommene Luft trocken ist gemäß Kurve 1 und wenn die Luft eine kritische Wassermenge enthält gemäß Kurve 2.
Die Temperaturdifferenz Δ T hängt ebenso von der Luftfeuchtigkeit der durch den Kompressor aufgenommenen Luft ab. Wenn nämlich der Kompressor mit Wasser beladene Luft komprimiert, ermöglicht ein Teil der durch den Kompressor gelieferten Energie die vollständige oder teilweise Verdampfung des aufgenommenen Wassers, und die Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Kompressors ist daher geringer, wie wenn die Luft trocken ist.
Unter diesen Bedingungen und erfindungsgemäß hat die Vorrichtung zur Erfassung der kritischen Wassermenge ihre Grundlage in der Messung der Lufttemperaturen am Eingang T&sub2; und am Ausgang T&sub3; des Kompressors, in der Messung der Drehzahl N des Kompressors, in der Berechnung Δ T = T&sub3; - T&sub2;, und in dem Vergleich des somit erhaltenen Betriebspunkts, T&sub3; - T&sub2; = f (N²), mit dem kritischen Wert der Temperaturdifferenz Δ Tc entsprechend der gleichen Drehzahl N des Kompressors.
Es ist festzustellen, daß die in Fig. 1 dargestellten Kurven 1 und 2 eine Eigenschaft jedes Motors sind und ausgehend von Versuchsergebnissen festgelegt werden, und daß die Kurve 2 abhängig von der maximalen Wasserkonzentration festgelegt ist, um keine Fehlfunktion des Motors hervorzurufen.
Wenn sich der gemessene Betriebspunkt des Kompressors in dem Bereich 3 in Fig. 1 befindet, dient die Vorrichtung zur Erfassung der kritischen Wasserkonzentration zur Übertragung dieser Information zu der zweiten Vorrichtung, die eine Leerlaufdrehzahlerhöhung des Motors ermöglicht.
Gemäß einer Abwandlung der Erfindung kann der ersten Vorrichtung zur Erfassung der kritischen Wasserkonzentration eine Hilfsvorrichtung beigeordnet sein. Diese Hilfsvorrichtung erfaßt ebenso die kritische Wasserkonzentration und gestattet somit die Bestätigung der durch die erste Vorrichtung gelieferten Information.
Die Hilfsvorrichtung basiert auf der Tatsache, daß bei Übersteigen einer gegebenen Wasserkonzentration durch den Kompressor unverdampftes Wasser in die Verbrennungskammer eindringt. In einem solchen Fall ist der Verbrennungs- Wirkungsgrad verringert, da ein Teil der durch die Verbrennungskammer gelieferten Energie zur Verdampfung des Wassers verwendet wird.
Die Hilfsvorrichtung basiert also auf der Messung des Verbrennungs-Wirkungsgrads und beispielsweise auf Einhalten der Gleichung:
T&sub4;&sub9; - T&sub3; = f (Wf/P&sub3; - kN²)
wobei Wf = der Brennstoff-Massendurchsatz,
P&sub3; = der Druck am Kompressorausgang,
N = die Drehzahl der Turbine und des Kompressors,
T&sub4;&sub9; = die Temperatur am Turbinenausgang, und
T&sub3; = die Temperatur am Eingang der Verbrennungskammer.
Fig. 2 zeigt die Kurven 4 und 5, die die Gleichung
T&sub4;&sub9; - T&sub3; = f (Wf/P&sub3; - kN²)
wiedergeben, wenn die von der Turbomaschine aufgenommene Luft trocken ist gemäß Kurve 4, und wenn die Luft eine kritische Wasserkonzentration enthält, gemäß Kurve 5.
Nach der Messung der Betriebsparameter WF, P&sub3;, N, T&sub4;&sub9; und T&sub3;, werden die Werte
(Wf/P&sub3; - kN&sub2;) und (T&sub4;&sub9; - T&sub3;)
berechnet und dann der somit erhaltene Betriebspunkt mit dem kritischen Wert von
(T&sub4;&sub9; - T&sub3;)c entsprechend dem gleichen Wert (Wf/P&sub3; - kN&sub2;)
wie dem gemessenen verglichen.
In Fig. 2 beobachtet man also eine kritische Wasserkonzentration, wenn sich der Betriebspunkt in dem schraffierten Bereich 6 befindet. Wenn dies der Fall ist, wird die durch die erste Erfassungsvorrichtung erstellte Diagnose durch die Hilfsvorrichtung bestätigt und das durch diese beiden Vorrichtungen gebildete System ist redundant. Es kann also ein Vorgang durch die zweite Vorrichtung zur Erhöhung der Leerlaufdrehzahl des Motors ausgeführt werden.
Das gemäß der Erfindung bevorzugte System unter Verwendung der redundanten Erfassungsvorrichtung der kritischen Wasserkonzentration kann allgemein wie in Fig. 3 dargestellt schematisch wiedergegeben werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bezugnehmend auf Fig. 4 dargestellt, die ein mögliches Schema der erfindungsgemäßen Motorregulierung wiedergibt ohne Redundanz im Bereich der Erfassung der kritischen Wasserkonzentration.
Je nach Stellung des Gashebels 7 durch den Piloten wird eine Vorschrift 8 der Drehzahl N&sub0; des Motors geliefert. Der Rechner des Motors liefert also mittels der Kraftstoff- Dosiervorrichtung 9 die Informationen, die dazu nötig sind, daß die Dosiervorrichtung eine der gewünschten Drehzahl des Motors entsprechende Kraftstoffmenge Wf liefert. Um in geeigneter Weise die Kraftstoffmenge zu regulieren, wird die tatsächliche Drehzahl des Motors N gemessen und mit der vorgeschriebenen Drehzahl N&sub0; durch einen Komparator 10 verglichen, um den Unterschied &epsi; zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten zu erhalten und die Kraftstoffmenge so zu korrigieren, daß eine tatsächliche Drehzahl des Motors erhalten wird, die gleich der vorgeschriebenen Drehzahl N&sub0; ist.
Erfindungsgemäß werden die Temperatur-Parameter am Kompressorausgang T&sub3; sowie am Kompressoreingang T&sub2; und die Drehzahl N des Motors gemessen.
Der Rechner führt die Berechnung der Differenz T&sub3; - T&sub2; durch und vergleicht den Betriebspunkt Δ T = T&sub3; - T&sub2; = f (N²) mit dem kritischen Wert Δ Tc entsprechend der gemessenen Drehzahl N.
Wenn die gemessene Temperaturdifferenz T&sub3; - T&sub2; niedriger als Δ Tc für die gemessene Drehzahl N des Motors ist, berechnet der Rechner ein Δ entsprechend dem Unterschied zwischen dem gemessenen Δ T und dem Δ Tc und dann ordnet der Rechner diesem Wert Δ ein Δ N zu, das die notwendige Erhöhung der Drehzahl des Motors wiedergibt.
Dieses Δ N wird mit &epsi; durch eine Schaltung mit höchster Prioritat 11 bekannter Art, auch "highest win" bezeichnet, verglichen, die als Verzögerungs-Halteglied dient, d. h., die Schaltung mit höchster Priorität liefert der Dosiervorrichtung 9 die Information, die den größten Wert von &epsi; und Δ N wiedergibt zur entsprechenden Erhöhung der Treibstoffmenge Wf.
Die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung kann unter Verwendung einer Hilfsvorrichtung zur Erfassung der kritischen Wassermenge auf Grundlage der Messung des Brennkammer-Wirkungsgrades abgewandelt werden. Das System zur Erfassung der kritischen Wasserkonzentration dient also zur Doppelsicherheit, wobei die Hilfsvorrichtung die Beseitigung von falschen Alarmen aufgrund einer eventuellen Fehlfunktion der ersten Erfassungsvorrichtung dient.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung den Vorteil aufweist, daß sie Parameter verwendet, die schon zu anderen Zwecken der Regelung/Steuerung der Turbomaschine verwendet werden und gewöhnlich in modernen Steuerelektroniken verwendet werden, die FADEC genannt werden.
Es ist vorteilhaft, zur Ausführung der Erfindung mittels Versuchsergebnissen die geeigneten kritischen Werte eines jeden Motors vorher festzulegen und bei dem Betrieb des Motors zu prüfen, ob dieser in den festgelegten Bereichen gemäß zusammenhängender Gesetze gut funktioniert.
Außerdem muß das erfindungsgemäße System so sein, daß die Steuerung, die die Wiederbeschleunigung des Motors im Fall von Wassereinbruch befielt, ebenso den Schutz gegen Pendeln und Lösen berücksichtigt. Dazu können bekannte Vorrichtungen verwendet werden.

Claims

1. Schutzvorrichtung gegen das Abschalten einer Turbomaschine bei starkem Eindringen von Wasser oder Hagel, dadurch gekennzeichnet,

daß sie wenigstens eine erste Erfassungsvorrichtung für die kritische Wasserkonzentration in der Turbomaschine aufweist mit

- einer Meßwerterfassung der Temperatur T&sub3; am Kompressorausgang, der Temperatur T&sub2; am Kompressoreingang der Drehaahl N des Motors,

- der Betriebspunktberechnung T&sub3; - T&sub2; = f (N²) und

- dem Vergleich dieses Betriebspunkts mit der kritischen Grenze (T&sub3; - T&sub2;), die für die Turbomaschine bei der gemessenen Drehzahl N zulässig ist,

wobei die erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung gekoppelt ist, die das automatische Anheben des Betriebsbereichs der Turbomaschine gestattet, wenn eine kritische Wasserkonzentration durch die erste Vorrichtung erfaßt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Erfassungsvorrichtung für die kritische Wasserkonzentration eine Hilfsvorrichtung zugeordnet ist zur Erfassung der kritischen Wassermenge auf Grundlage der Erfassung einer Meßgröße, die unabhängig von der ist, die für die erste Vorrichtung verwendet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsvorrichtung die Überwachung des Verbrennungs-Wirkungsgrads zur Grundlage hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungs-Wirkungsgrad durch die folgende Gleichung gegeben ist:

T&sub4;&sub9; - T&sub3; = f (Wf/P&sub3; KN²)

bei der T&sub4;&sub9; = die Temperatur am Turbinenausgang,

T&sub3; = die Temperatur am Eingang der Verbrennungskammer,

Wf = der Brennstoff-Massendurchfluß,

P&sub3; = der Druck am Kompressorausgang und

N = die Drehzahl des Motors, und daß die Hilfvorrichtung aufweist

- die Meßwerterfassung von T&sub4;&sub9;, T&sub3;, Wf, P&sub3; und N

- die Betriebspunkt-Berechnung

T&sub4;&sub9; - T&sub3; = f (Wf/P&sub3; - KN²)

- den Vergleich dieses Betriebspunktes mit der kritischen Grenze

(T&sub4;&sub9; - T&sub3;),

die für die Turbomaschine für den Wert von

(Wf/P&sub3; - KN²)

zulässig ist, der auf Grundlage der Meßwerte berechnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Erfassungsvorrichtung eine Information zur Erhöhung des Motor- Betriebsbereichs an die zweite Vorrichtung gibt, wenn eine kritische Wasserkonzentration erfaßt ist, wobei die zweite Vorrichtung eine Schaltung mit höchster Vorrangstellung aufweist, die die Information zur Erhöhung des Motor- Betriebsbereichs, die von der ersten Vorrichtung ausgegeben ist, mit der Information vergleicht, die bei der Regelung des Motor-Betriebsbereichs bezüglich der Anweisung ausgegeben wird, die durch die Stellung des Gashebels geliefert wird, wobei die Schaltung mit höchster Vorrangstellung dem Brennstoff- Dosierer die größere von den beiden genannten Informationen zuführt, wobei der Dosierer die Brennstoffmenge liefert, die der notwendigen Erhöhung des Motor- Betriebsbereichs entspricht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin einen Schutz gegen ein Pendeln und/oder Abreissen der Turbomaschine aufweist.