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Die Erfindung betrifft Flugzeugtriebwerke des
Kraftmaschinenturbinen-Typs und insbesondere ein Verfahren zum Erfassen
von Triebwerks-Strömungsabrissen
bzw. -Stalls in derartigen Kraftanlagen in einem Flugzeug.
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Die Erfindung betrifft insbesondere
militärische
Flugzeuge im Gegensatz zu zivilen oder kommerziellen Flugzeugen
und noch spezieller die Klasse von Flugzeugen, die in die Klasse
der Kampfflugzeuge fallen würde.
Wegen der Natur von deren Flugmission führt diese Klasse von Flugzeug
typischerweise ziemlich heftige Manöver auf, die eine kräftige Verstellung
des Leistungshebels zur Schubänderung
des Triebwerks erfordern, um so bei sehr heftigen Bedingungen zu
beschleunigen und zu verzögern.
Diese Art von Betriebszustand kann zur Folge haben, dass das Verdichtersystem
des Triebwerks einen Stall-Zustand
erfährt,
der die Triebwerkluftströmung
und den Triebwerkschub verringert, was zur Behebung einen Triebwerkneustart
erforderlich machen kann.
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Das konventionelle Verfahren zum
Detektieren von Stalls in Flugzeugturbobläser-Verdichtersystemen basiert
auf der Erfassung eines schnellen Gasgenerator-Brennerdruckabfalls.
Das Verfahren führt
zu Fehlerfassung, wenn der Brennerdrucksensor versagt oder wenn
die Brennerdruckleitung zu dem Steuerungssystem bricht und versagt.
Deshalb besteht ein Erfordernis nach zusätzlichen Mitteln zur Stall-Erfassung.
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Andere Stall-Erfassungssysteme sind
in EP-A-666 423, FR-A-2 645 909 und GB 2 152 142 beschrieben.
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Benötigt wird ein Verfahren zum
Erfassen von Stall in einem Gasturbinentriebwerk, wenn der Brennerdrucksensor
versagt oder wenn die Brennerdruckleitung zu dem Steuerungssystem
reißt
und versagt.
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Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden
Erfindung zumindest in bevorzugten Ausführungsformen, ein Verfahren
zum Detektieren von Stall in einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen,
wenn der Brennerdrucksensor versagt oder wenn die Brennerdruckleitung
zu dem Steuerungssystem reißt
und versagt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zum Detektieren eines Maschinen-Stalls bereitgestellt,
wie in Anspruch 1 beansprucht. Das Verfahren wird vorzugsweise verwendet,
um einen Stall zu bestätigen,
wenn ein Gasgenerator-Brennerdrucksensor korrekt arbeitet, und als
ein Ersatz-Erfassungsverfahren, wenn der Brennerdrucksensor versagt,
oder wenn die Brennerdruckleitung zu dem Steuerungssystem reißt und versagt.
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Die Erfindung erstreckt sich auch
auf eine Vorrichtung gemäß Anspruch
8.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, für die
gilt:
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1 ist
eine Ansicht, welche eine typische Gasturbinenkraftanlage und ein
schematisches Blockdiagramm darstellt, welches die Funktion der Maschinensteuerung
hinsichtlich des Gasgenerator-Brennerdrucksensors und des Schubverstärker-Licht-Aus-Detektors
zeigt;
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2 ist
eine Darstellung, die die Auswirkung eines Maschinen-Stalls auf
den Gasgenerator-Brennerdruck zeigt, wenn der Triebwerk-Schubverstärker aus
ist;
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3 ist
eine Darstellung, die den Effekt auf einen Maschinen-Stall beim
ultravioletten Licht zeigt, welches in dem Schubverstärker erfasst
wird, wenn der Schubverstärker
aus ist;
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4 ist
eine Darstellung, die die Aktivierung eines Maschinen-Stall-Warnalarms
zeigt;
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5 ist
eine Darstellung, die den Effekt eines Gasgeneratordrucksensor-Versagens zeigt, wenn
die Maschine keinen Stall hat und der Maschinen-Schubverstärker aus ist;
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6 ist
eine Darstellung, die den Effekt beim in den Schubverstärkern erfasstem
ultravioletten Licht zeigt, wenn der Gasgenerator-Drucksensor versagt,
während
der Maschinen-Schubverstärker aus
ist;
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7 ist
eine Darstellung, die die Aktivierung und Deaktivierung eines Maschinen-Stall-Warnalarms
zeigt;
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8 ist
eine Darstellung, die den Effekt eines Maschinen-Stalls auf den
Gasgenerator-Brennerdruck zeigt, wenn der Triebwerk-Schubverstärker an
ist;
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9 ist
eine Darstellung, die den Effekt eines Maschinen-Stalls auf in dem
Schubverstärker detektiertes
ultraviolettes Licht zeigt, wenn der Schubverstärker an ist;
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10 ist
eine Darstellung, die die Aktivierung eines Maschinen-Stall-Warnalarms zeigt.
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Wie in 1 schematisch
gezeigt, weist die Gasturbinenkraftanlage, die generell mit dem
Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, einen Maschineneinlass 13,
einen Gasgeneratorabschnitt, der einen Hochdruckverdichter 11 in
beabstandeter Relation zu einer Hochdruckturbine 14 zeigt,
und der Hochdruckverdichter 11 und die Hochdruckturbine 14 sind
durch eine Welle 16 hoher Drehzahl verbunden. Ein Gasgeneratorbrenner 18 ist
dazwischen angeordnet und dient dazu, Brennstoff zu verbrennen,
um das Arbeitsmedium der Maschine mit Energie zu beaufschlagen.
Der Bläser
und Niederdruckverdichter 20 sind in beabstandeter Relation
zu der Niederdruckturbine 24, und der Bläser und Niederdruckverdichter 20 sind
mit der Niederdruckturbine 24 durch eine Welle 22 niedriger
Drehzahl verbunden. So wie er hier verwendet wird, bezieht sich
der Begriff "Turbinenabschnitt" kollektiv auf die
Hochdruckturbine 14 und die Niederdruckturbine 24.
Der Hochdruckverdichter 11 und die Hochdruckturbine 14 sind
zwischen dem Niederdruckverdichter 20 und der Niederdruckturbine 24 angeordnet.
Die Hochdruckspule und die Niederdruckspule sind zwischen dem Einlass 13 und
dem Schubverstärker 30 angeordnet.
Die Niederdruckspule und die Hochdruckspule sind mechanisch miteinander
nicht verbunden, sondern rotieren unabhängig.
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Die Maschine weist auch einen Bypasskanal 15 und
einen Schubverstärker 30 auf,
der das von dem Niedrig-Turbinenabschnitt abgegebene Arbeitsmedium
der Maschine erhält.
Der Schubverstärker 30 ist
strömungsabwärts von
der Niederdruckturbine 24 zwischen der Niederdruckturbine 24 und
der Ausströmdüse 31 angeordnet.
Schließlich
wird das Arbeitsmedium der Maschine aus der Maschine durch die Ausströmdüse 31 mit
variablem Querschnitt abgegeben. Der Niederdruckverdichter 20 saugt
Luft durch den Einlass 13 und liefert einen ersten Teil
der Luft zu dem Bypasskanal 15 und einen zweiten Teil der
Luft zu dem Hochdruckverdichter 11. Wie in 1 gezeigt, ist der Bypasskanal 15 radial
außerhalb
von dem Hochdruckverdichter 11, dem Brenner 18,
der Hochdruckturbine 14 und der Niederdruckturbine 24 angeordnet
und dient dazu, einen Teil der Luft um den Hochdruckverdichter 11,
den Brenner 18, die Hochdruckturbine 14 und die
Niederdruckturbine 24 vorbei und direkt zu dem Schubverstärker 30 zu
leiten.
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Die Brennstoffströmung zu dem Brenner 18 wird
von einer Maschinensteuerung 70 vorzugsweise des digital-elektronischen
Typs kontrolliert. Die Maschinensteuerung 70 überwacht
eine Mehrzahl von Maschinenbetriebsparametern und berechnet Werte zum
Einstellen der Brennstoffströmung
und der variablen Geometrie der Maschine, um einen optimalen Maschinenbetrieb
zu erzielen. Zwei dieser Parameter, die für die vorliegende Erfindung
von Bedeutung sind, beinhalten den Gasgenerator-Brennerdruck Pb und
den Licht-Aus-Detektor
(LOD-Light-off-Detektor) LOD 74. Ein Brennerdrucksensor 72 sendet
einen ersten Datenstrom zu der Maschinensteuerung während des Maschinenbetriebs,
den die Steuerung verwendet, um den Brennerdruck innerhalb eines
vorbestimmten Betriebsbereichs zu halten und einen Maschinen-Stall-Warnalarm
auszulösen,
wenn der Brennerdruck aus diesem Bereich herausfällt. Ein Detektor für ultraviolettes
Licht LOD 74 erfasst die Intensität von ultraviolettem Licht
in dem Schubverstärker 30 und
sendet einen zweiten Datenstrom zu der Maschinensteuerung. Einige
Gasturbinenmaschinen des Stands der Technik verwenden momentan die
Information in dem zweiten Datenstrom, um zu bestimmen, wenn der
Schubverstärker 30 gezündet wurde oder "An" ist, da die Intensität des ultravioletten Lichts
substanziell zunimmt, wenn der Schubverstärker 30 aus seinem "Aus"-Zustand, bei dem
keine Verbrennung in dem Schubverstärker 30 erfolgt, in
seinen "An"-Zustand geht.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum
Bestimmen, wann ein Maschinen-Stall-Warnalarm aktiviert werden soll,
beinhaltet das Überwachen
des ersten Datenstroms, um zu bestimmen, ob ein Maschinen-Stall
aufgetreten ist, wie das beim Stand der Technik getan wurde, aber
löst den
Maschinen-Stall-Warnalarm nicht aus, wenn nicht der zweite Datenstrom
auch anzeigt, dass ein Maschinen-Stall aufgetreten ist. Wie in 2 gezeigt, ist ein typischer
Stall angezeigt, wenn der Brennerdruck in einer irgendwie sinusförmigen Weise
von dem Brenndruck 76, den die Maschinensteuerung bei einem
vorgegebenen Maschinenbetriebszustand zu beobachten erwartet, abfällt. (Man
sollte erkennen, dass der Brennerdruck, die Zeit und andere Parameter,
die in den 2 bis 10 gezeigt sind, in dimensionslosen
Einheiten lediglich zu Bezugszwecken gezeigt sind und nicht als
tatsächliche
Maschinendaten ausgelegt werden sollen. Jedoch ist die gleiche erste Zeitdauer
in den 2 bis 4, die gleiche zweite Zeitdauer
in den 5 bis 7 und die gleiche dritte
Zeitdauer in den 8 bis 10 wiedergegeben.) Wenn die Maschinensteuerung 70 feststellt,
dass ein erster Datenstrom, der von der in 2 gezeigten Art ist, angibt, dass es
zu einem Maschinen-Stall gekommen ist, identifiziert die Maschinensteuerung
auch, ob der zweite Datenstrom von dem LOD anzeigt, ob ein Maschinen-Stall
aufgetreten ist. Das spezielle Verfahren zum Bestimmen aus dem zweiten
Datenstrom, ob ein Maschinen-Stall aufgetreten ist, hängt davon
ab, ob der Schubverstärker 30 an
oder aus ist.
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Wenn der Schubverstärker 30 aus
ist, zeigt der LOD 74 normalerweise lediglich eine vernachlässigbare
ultraviolette Lichtintensität
an, da in dem Schubverstärker 30 wenig
oder keine Verbrennung erfolgt. Jedoch erlaubt eine unvollständige Verbrennung
in dem Gasgeneratorbrenner 18 ein Strömen von unverbranntem Brennstoff
durch den Turbinenabschnitt 14, 24 zu dem Schubverstärker 30 und
in das Gesichtsfeld des LOD 74, da eine Luftströmungsverringerung
während
eines Maschinen-Stalls zu einem brennstoffreichen Gasgeneratorbrenner 18 führt. Die
Intensität
des in den Schubverstärker 30 erfassten
ultravioletten Lichts steigt sofort an, wenn brennstoffbeladene
Luft aus dem Gasgenerator 18 in Kontakt mit der Zufuhr
von Bläserluft
in den Schubverstärker 30 kommt
und brennt sofort, wie in 3 gezeigt.
Diese sofortigen Anstiege und Abfälle bei der Intensität des ultravioletten
Lichts wiederholen sich, wenn die Luftströmung durch den Gasgeneratorbrenner 18 während eines
Stalls fluktuiert und lässt
das ultraviolette Licht in dem Schubverstärker 30 einen maximal
vorbestimmten Wert überschreiten,
der normal nicht überschritten
wird, wenn der Schubverstärker 30 aus
ist.
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Wenn sowohl der erste als auch der
zweite Datenstrom anzeigen, dass es zu einem Maschinen-Stall gekommen
ist, aktiviert die Maschinensteuerung den Stall-Warnalarm, wie in 4 gezeigt. Jedoch wird,
wie in 5 gezeigt, der
LOD 74 keinen Anstieg in der Ultraviolett-Intensität erfassen,
wie in 6 gezeigt, wenn
die Maschine normal arbeitet und der erste Datenstrom anzeigt, dass
ein Maschinen-Stall aufgetreten ist, was passieren kann, wenn der
Brennerdrucksensor 72 versagt (oder die Brennerdrucksensorleitung
einen Verlust entwickelt), da die Verbrennung in dem Gasgeneratorbrenner
im wesentlichen vollständig
sein wird und deshalb kein Brennstoff zur Verbrennung in dem Schubverstärker 30 vorhanden
sein wird. Somit wird, wie in 7 gezeigt,
ein anfängliches
Steuerungs-Stall-Signal als ein Ergebnis der LOD-Daten ausgesondert,
und eine falsche Stall-Erfassung aus diesen Gründen kann vermieden werden.
Außerdem
kann, wenn von dem Brennerdrucksensor 72 bekannt ist, dass
er versagt hat, und es zu einem Maschinen-Stall kommt, ein Stall,
basierend alleine auf dem zweiten Datenstrom, von dem LOD 74 erfasst
werden.
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Wenn der Schubverstärker 30 an
ist (d. h. der Schubverstärker 30 gezündet ist),
ist, wenn es zu einem Stall kommt, das Verfahren zum Erfassen eines
Stalls mit dem Datenstrom des LOD 74 ein wenig verschieden
von dem vorangehend beschriebenen. 8,
die ähnlich
zu 2 ist, zeigt, wie
der erste Datenstrom, der den Brennerdruck anzeigt, abfällt, wenn
es zu einem Stall kommt. Wenn die Maschinensteuerung 70 identifiziert,
dass der erste Datenstrom anzeigt, dass es zu einem Maschinen-Stall
gekommen ist, identifiziert die Maschinensteuerung 70 wieder,
ob der zweite Datenstrom von dem LOD 74 auch anzeigt, dass
es zu einem Maschinen-Stall gekommen ist. Jedoch, wie in 9 gezeigt, ist die Intensität des durch
den LOD 74 erfassten ultravioletten Lichts nicht länger vernachlässigbar,
da eine substanzielle Verbrennung in dem Schubverstärker 30 erfolgt.
(Dieser zweite Datenstrom ist der Mechanismus, mit dem die Maschinensteuerung 70 identifiziert,
dass der Schubverstärker 30 an
und gezündet ist,
und aus diesem Grund wurden LOD's
ursprünglich
in die Schubverstärker
bestimmter Gasturbinenmaschinen inkorporiert.) Da jedoch die Luftströmungsverringerung,
zu der es während
eines Maschinen-Stalls kommt, die Gesamtluftströmung durch den Schubverstärker 30 verringert,
glauben die Erfinder, dass ein Maschinen-Stall während schubverstärktem Maschinenbetrieb
lokal hohe Brennstoff/Luftverhältnisse
erzeugt, die zu einer unvollständigen
Verbrennung in dem Schubverstärker 30 führen. Das
wiederum führt
zu einer geringeren Intensität
an in dem Schubverstärker 30 durch
den LOD 74 erfass- tem ultravioletten Licht, wie in 9 gezeigt. Die Intensität des in
dem Schubverstärker 30 erfassten
ultravioletten Lichts nimmt sofort ab, wenn der Schubverstärker 30 zu
brennstoffreich wird, und die durch den zweiten Datenstrom angezeigte
Intensität fällt unter
einen minimalen vorbestimmten Wert 80, wenn der Schubverstärker 30 an
ist.
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Wenn sowohl der erste als auch der
zweite Datenstrom anzeigt, dass es zu einem Maschinen-Stall gekommen
ist, wenn der Schubverstärker 30 an
ist, aktiviert die Maschinensteuerung den Stall-Warnalarm, wie in 10 gezeigt. Wenn jedoch die
Maschine normal arbeitet und der erste Datenstrom anzeigt, dass
es zu einem Maschinen-Stall gekommen ist, wie es sein kann, wenn
der Brennerdrucksensor 72 versagt oder die Brenndruckleitung einen
Verlust entwickelt, wird der LOD 74 keinen Abfall der Ultraviolett-Intensität unterhalb des
minimalen vorbestimmten Werts 80 in dem zweiten Datenstrom detektieren,
da die Verbrennung in dem Schubverstärker 30 im wesentlichen
vollständig
sein wird und deshalb kein Brennstoffüberschuss in dem Schubverstärker 30 sein
wird, um einen Abfall der Verbrennung zu verursachen. Somit kann
eine falsche Stall-Erfassung aus diesen Gründen vermieden werden. Wie
vorangehend beschrieben, kann ein Stall, basierend lediglich auf
dem zweiten Datenstrom, von dem LOD 74 durch das Bestimmen
detektiert werden, ob die Intensität des ultravioletten Lichts
unter den minimalen vorbestimmten Wert 80 fällt, wenn von dem Brennerdrucksensor 72 bekannt
ist, dass er versagt hat und es zu einem Maschinen-Stall kommt.
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Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme
auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass
verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
Ansprüche
abzuweichen.