DE69910022T2 - Vorrichtung zur erkennung eines wellenbruchs - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Logiksystem zum Bestimmen eines Wellenversagens in einer Gasturbinenmaschine und insbesondere ein Verfahren zum Erfassen der unmittelbaren Zeichen einer Wellenentkopplung in einer Gasturbinenmaschine und eine Vorrichtung, die diese Erfassungsfunktionen ausführt.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gasturbinenmaschinen sind in der Technik seit vielen Jahren bekannt und sind Maschinen, bei denen eine Welle, die eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln beinhaltet, als die Antriebswelle zum Erzeugen eines Ausgangsschubs aus der Maschine dient. Derartige Maschinen werden typischerweise bei Flugzeugen verwendet und können entweder in Verbindung mit Propellerantriebssystemen zur Ausbildung eines Turbopropsystems oder ohne einen Propeller, wie in einem Turbowellen-, Turbostrahl- oder Turbobläsersystem, verwendet werden. Maschinen, die Verdichterlaufschaufeln an einer einzigen Antriebswelle beinhalten, sind als Einfach-Axialströmungsverdichtermaschinen bekannt. Ein anderer Typ von Maschine ist einer, der zwei koaxiale Antriebswellen beinhalten kann, was als Doppel-Axialströmungsverdichtermaschine bezeichnet wird. Bei einer derartigen Maschine sind Reihen von Niederdruckverdichterlaufschaufeln durch eine erste Antriebswelle mit einer Antriebsturbine verbunden. Strömungsabwärts von diesen Reihen von Niederdruckverdichterlaufschaufeln befinden sich Reihen von Hochdruckverdichterlaufschaufeln, die mit eine zweiten koaxialen Antriebswelle verbunden sind, die von separaten Antriebsturbinen angetrieben ist.
  • Unabhängig davon, ob es sich bei der Maschine um einen Einfach-Axial- oder Doppel-Axial-Typ handelt, müssen die Antriebswellen in der Lage sein, mit mehreren 10.000 U/min stundenlang am Stück unter intensiven Änderungen der Temperatur, Beschleunigung, Zentrifugalspannung, Axialspannung, etc. zu rotieren.
  • Nach Jahren der Verwendung von Wellen ist es zu Umständen gekommen, bei denen sich eine der Antriebswellen von dem verbleibenden Teil der Welle trennt. Weil die Antriebswelle bei einer derart hohen Geschwindigkeit rotiert, wird es zu einem Versagen oder zu einem "Entkoppeln" der Welle plötzlich und schnell kommen. Wenn eine Gasturbinenmaschine ein Wellenversagen erfährt, kann es zu dem gesamten Versagensablauf in weniger als einer Sekunde kommen und ein plötzliches katastrophales Versagen des Triebwerks zur Folge haben, wobei sich die rotierenden Bauteile der Maschine strömungsaufwärts von der Versagensstelle plötzlich verlangsamen, während rotierende Bauteile strömungsabwärts der Versagensstelle beginnen werden, unkontrollierbar zu beschleunigen. Diese unkontrollierte Beschleunigung strömungsabwärts von der Ausfallstelle bringt die größten Gefahren mit sich, weil die Rotationsgeschwindigkeit dieser Bauteile einen Punkt erreichen kann, bei dem die Zentrifugalkräfte auf diese Bauteile sie veranlassen, von der Antriebswelle abzuscheren und auf das Maschinengehäuse zu stoßen, was das Risiko beinhaltet, dass diese Bauteile nicht innerhalb des Triebwerkgehäuses zurückgehalten werden können. Bei einem Strahlflugzeug könnte ein derartiges Nicht-Zurückhalten zu einer ernsthaften Beschädigung der verbleibenden Teile der Maschine sowie zu einer Beschädigung der Flugzeugzelle führen.
  • Zahlreiche Anstrengungen wurden unternommen, um ein Bauteil-Zerplatzendurch das Maschinengehäuse zurückzuhalten. Bei einem derartigen Versuch wurde ein massiver Rückhaltering, der aus hochfestem Material, beispielsweise einer Nickel-Cobalt-Legierung, gebildet ist, in das äußere Maschinengehäuse integriert, um umfangsmäßig die rotierenden Bauteile der Maschine zu umgeben. Obwohl derartige Rückhalteringe erfolgreich beim Zurückhalten von abgebrochenen Bauteilen in dem Maschinengehäuse waren, fügen sie eine signifikante Menge an zusätzlichem Gewicht der Maschine hinzu und opfern so Brennstoffökonomie und Passagierkapazität. Das Einfangen von Triebwerkbauteilen, die versagt haben, in der Maschine selbst führt auch zu übermäßiger, irreparabler Beschädigung der Maschine und macht es häufig erforderlich, dass die gesamte Maschine nach einem derartigen Versagen ersetzt werden muss, was substanzielle Kosten zu dem Betrieb des Flugzeugs addiert.
  • Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach der Entwicklung eines Vorwarnprotokolls zum Identifizieren der unmittelbaren Zeichen eines Antriebwellenversagens und zum Abschalten der Maschine, bevor die Teile der Antriebswelle strömungsabwärts von der Ausfallstelle sich auf ein Niveau beschleunigen, das übermäßige Spannungen auf die rotierenden Bauteile aufbringt. Weil diese Warnzeichen nur Bruchteile einer Sekunde, bevor die Triebwerkbauteile beginnen zu zerbrechen, auftreten, ist es evident, dass ein derartiges Warnprotokoll auch automatisiert werden muss, vorzugsweise in der Form einer Kontrolllogik, die von einem an Bord befindlichen Highspeed-Prozessor verwendet wird. Wenn es möglich wird, die Maschine abzuschalten, während sie die frühen Warnzeichen eines Wellenversagens zeigt und bevor es zu irgendeinem Bruch von Bauteilen kommt, kann das Erfordernis nach der Verwendung von schweren Rückhalteringen eliminiert werden. Außerdem kann eine Beschädigung der Maschine, die sich aus dem Bruch von Hochgeschwindigkeitsbauteilen ergibt, ebenso eliminiert werden. Am wichtigsten ist jedoch, dass die Sicherheit der arbeitenden Maschine signifikant verbessert werden kann, da die Risiken eines Komponentenbruchs eliminiert werden können und so die Sicherheit und Integrität der Passagierzelle verbessert werden kann.
  • Ein derartiger Versuch ist in US-Patent 5 293 774 beschrieben, das am 15. März 1994 Ratherham erteilt wurde.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Vornehmen einer Feststellung eines unmittelbaren Antriebswellenversagens und zum Absperren der Brennstoffströmung zu der Maschine bereitzustellen, wenn ein derartiges unmittelbares Versagen detektiert wird und so die Maschine abzuschalten.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches System bereitzustellen, welches eine Kontrolllogik verwendet, um eine Feststellung eines Wellenversagens zu treffen und einen Kontrollhinweis abzusenden, um ein Abschaltsystem zu signalisieren, um den Brennstofffluss zu der Maschine in Reaktion auf die Feststellung eines Wellenversagens abzusperren.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kontrollieren einer Turbinenmaschine bereitgestellt, wie es breit im Anspruch 1 definiert ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein weiteres Verfahren zum Kontrollieren einer Turbinenmaschine bereitgestellt, wie es breit in Anspruch 8 definiert ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Doppel-Wellen-Gasturbinenmaschine.
  • 2 ist ein Diagramm der normierten Verzögerung über der korrigierten Drehgeschwindigkeit für den Niederdruckverdichter eine Doppel-Axialverdichterturbowellenmaschine.
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm, welches die für das Erfassen einer Wellenent-kopplung erforderlichen Schritte und die Abfolge für das Abschalten der Maschine zeigt.
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm, welches die für das Erfassen einer Wellenentkopplung erforderlichen Schritte und den Ablauf von Ereignissen zeigt, die stattfinden, wenn einer der Kommunikationskanäle versagt.
  • 5 ist ein Ablaufdiagramm, welches die für das Detektieren einer Wellenentkopplung erforderlichen Schritte und den Ablauf zum Abschalten des Triebwerks zeigt, wenn eine Entkopplung während eines Anlassvorgangs oder beim Betrieb bei niedrigen Leistungseinstellungen erfasst wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt eine Schnittansicht einer üblichen Doppel-Wellen-Maschine 10, welche das Doppel-Axialverdichtersystem nutzt, das die in den Verbrennungsabschnitt der Maschine gelangende Luft verdichtet und druckbeaufschlagt. Die Maschine 10 weist Reihen von Niederdruckverdichterlaufschaufeln 15 auf, die an einer inneren Welle 22 rotieren. Die Drehzahlen der Niederdruckverdichterlaufschaufel-Rotation ist mit den Parametern "NL" angegeben, was in der Nähe des vorderen Endes der Maschine in der 1 gezeigt ist. Strömungsabwärts von dem Niederdruckverdichterlaufschaufel-Abschnitt befinden sich Reihen von Hochdruckerdichterlaufschaufeln 20. Diese Laufschaufeln rotieren um die Welle 21, die zu der Niederdruckwelle 22 koaxial ist. Die Rotationsgeschwindigkeit für diesen Laufschaufelabschnitt ist mit dem Parameter "NH" angegeben, was in der Nähe des Mittelbereichs der in 1 gezeigten Darstellung gezeigt ist. Jede der Wellen 21 und 22 ist von separaten Turbinen in dem Turbinenabschnitt 25 der Maschine angetrieben.
  • Bei Betrieb erzeugt der Verbrennungsabschnitt 24 die zum Antreiben der Turbine in dem Turbinenabschnitt 25 erforderliche Kraft. Diese Turbinen treiben wiederum die Doppel-Axialwellen 21 und 22 an, welche die durch die Maschine strömende Luftströmung antreiben und druckbeaufschlagen. Eine derartige Maschine kann auch als Maschine vom Turboprop-Typ betrieben werden, indem in dem Turbinenabschnitt eine zusätzliche Turbine hinzugefügt wird, um einen Propeller vorne an dem Triebwerk anzutreiben oder durch andere strukturelle Modifikationen, die dem Fachmann bekannte sind und von ihm verstanden werden.
  • Ein kritisches Augenmerk bei dem Betrieb von jeder Art von Gasturbinenmaschine ist das Versagen einer rotierenden Welle. Außerdem ist es bei jeder Gasturbinenanwendung, bei der die Brennstoffströmung zu der Maschine in einem gewissen Umfang trotz des Versagens einer rotierenden Welle weitergehen könnte, wie bei der hier beschriebenen Zwei-Wellen-Maschinenanwendung, wünschenswert, eine Einrichtung zum Abschalten der Brennstoffströmung zu der Maschine bei dem Versagen der Welle bereitzustellen. Wenn beispielsweise die den Niederdruckverdichter-Abschnitt 15 treibende Welle 22 brechen würde oder "entkoppeln" würde, würde der Niederdruckverdichter-Abschnitt 15 plötzlich beginnen, sich zu verlangsamen, während die Turbinen, welche die Welle 22 antreiben und immer noch befeuert sind, anfangen würden, in Folge der plötzlich verringerten Belastung auf die Welle, unkontrollierbar zu beschleunigen. Mit dem Beginn einer unkontrollierten Beschleunigung dieser Turbinen würden die Turbinen schnell ihre maximale Konstruktionsdrehzahl überschreiben und beginnen, auseinander zu brechen und Fragmente mit hoher kinetischer Energie hervorbringen, die in der Lage sind, das Triebwerkgehäuse zu verlassen, wenn nicht das Triebwerkgehäuse auf andere Weise durch irgendeine Art von Einschlussstruktur geschützt ist. Der gesamte Ablauf von Vorfällen, die zu einem Triebwerkversagen führen, kann viel weniger als eine Sekunde dauern, so dass die Erfinder hier festgelegt haben, dass ein derartiges Versagen bei den frühesten Zeichen für ein Versagen erfasst werden muss und das Abschalten der Maschine mit einem automatischen System durchgeführt werden muss, das in der Lage ist, innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde auf das Versagen zu reagieren.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde eine logische Ablauffolge entwickelt, welche die Anwesenheit einer Schaftentkopplung, basierend auf Änderungen bestimmter Parameter des Maschinenbetriebs feststellt. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform einen logischen Ablauf für das Erfassen eines Wellenversagens für die Niederdruckverdichterwelle liefert, kann ein analoger logischer Ablaufplan für das Feststellen des Versagens der Hochdruckverdichterwelle verwendet werden, wie das der Fachmann aus der folgenden Beschreibung erkennt und versteht.
  • 2 zeigt Tests, die an einem Computermodell einer Turbomaschine, die eine Doppel-Axialverdichteranordnung verwendet, wie sie mit Bezugnahme auf die 1 beschrieben wurde, durchgeführt wurden. Die vertikale Achse illustriert die Verzögerung, bezeichnet mit dem Parameter "NLDot", die mit dem Parameter "Delta" normiert wurde. Eine derartige Normierung erlaubt eine vergleichende Analyse der Parameter oder berechneter Werte über die Betriebsmission der Maschine. Das Normieren von Daten ist auf dem Gebiet der Mathematik und Statistik wohl bekannt, und die zur Durchführung einer derartigen Normierung erforderlichen Schritte sind dem Fachmann bekannt und verstanden. Der sich ergebende Parameter NLDot/Delta ist an der vertikalen Achse in Einheiten von prozentualer Änderung der Geschwindigkeit pro Sekunde aufgetragen. Die horizontale Achse zeigt die korrigierte Drehzahl des Niederdruckverdichters in U/min. Die Linie 30 zeigt den Verzögerungszustand, der bei einem kalten Flammenausfall (cold flame out) auftritt, während die Linie 40 den Verzögerungszustand zeigt, der bei einem heißen Flammenausfall (hot flame out) auftritt. Die Linie 50 repräsentiert eine Abgrenzungslinie, von der man festgestellt hat, dass es die Linie ist, welche Verzögerungen, die bei bekannten Triebwerkanomalitäten auftreten, wie beispielsweise Flammenausfall (flame out), und Verzögerungen, die nur durch ein Wellenabscheren der Niederdruckverdichterwelle erklärt werden können, separiert. Eine Linie 52 repräsentiert ein Wellenabscheren, welches bei Reiseflughöhe auftritt, während die Linie 54 ein Wellenabscheren zeigt, das unter Hochtemperaturzuständen auftritt. Man beachte, dass es zwischen den Linien für das Wellenabscheren unter den verschiedenen Betriebsbedingungen sehr wenig Unterschied gibt, obwohl ein leicht messbarer Unterschied ist zwischen den Linien, die einen Flammenausfall (flame out) darstellen, und den Linien, die ein Wellenabscheren darstellen.
  • Die Darstellung von 2 zeigt klar, dass die Verzögerung der "Fußabdruck" ist, welcher den deutlichsten Nachweis eines Wellenversagens liefert, wie er auch der Nachweis ist, der am schnellsten auftritt.
  • Ein Vorteil des Verwendens der Verzögerungseigenschaften des Verdichterteils der Welle für das Erfassen einer Wellenabscherung ist, dass es, verglichen mit Sensoren, die in den heißen Turbinenwellenbereichen einer Maschine ver wendet werden, eine Zunahme bei der Zuverlässigkeit von Sensoren gibt, die zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit der Verdichterwelle verwendet werden.
  • 3 zeigt den logischen Ablauf 60, der verwendet werden kann, um sofort ein Versagen der Niederdruckverdichterwelle zu erfassen. Der Logikablauf wird über zwei Kanäle eines Steuerprozessors durchgeführt, der als voll digitale Triebwerksteuerung oder "FADEC" (Full Authority Digital Engine Control) bekannt ist. Das FADEC ist im Wesentlichen ein mehrkanaliger an Bord befindlicher Computer, der eine begrenzte Anzahl von Eingaben von dem Flugzeugpiloten sowie kontinuierliche Eingaben von verschiedenen Sensoren, Schaltern und Antriebselementen erhält, die über die Maschine verteilt sind. Das FADEC analysiert diese verschiedenen Eingaben von diesen Geräten und sendet Kontrollsignale zurück an die Geräte, um deren Betrieb zu managen. FADEC-Systeme sind in dem Technikgebiet bekannt und wurden zuerst in dem US-Patent 4 718 229, welches am 12. Januar 1988 Riley erteilt wurde, beschrieben.
  • Das FADEC der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, einen Logikablauf durchzuführen, der Eingabewerte von NL- und P3-Druck nimmt, um zu bestimmen, ob es zu einer Wellenentkopplung gekommen ist.
  • Man kann auswählen, ein Wellenversagen auf der Basis des aus Abfragewerten von NL berechneten NLDot-Werten zu erklären; eine viel stabileres System würde jedoch ein Wellenversagen beispielsweise an Hand von unüblichen korrespondierenden Änderungen an P3 erfassen. Vorzugsweise wird, um ein unbeabsichtigtes Abschalten des Triebwerks bei Bedingungen zu verhindern, bei denen die Welle nicht versagt hat, der zweite Parameter verwendet, um zu verifizieren, dass es zu einem Versagen kommt.
  • Man hat experimentell herausgefunden, dass ein Parameter, der sich während eines Niederdruckverdichter-Wellenversagens schnell ändert, der Druck am Eingang der Brennkammer ist, was als der Parameter "P3" bezeichnet wird. Dieser Druck wird in dem Bereich der Maschine zwischen dem strömungsab wärtigen Ende der Hochdruckerdichterlaufschaufeln und dem Eingang zu der Brennkammereinrichtung gemessen. Experimente haben gezeigt, dass ein Abfall im P3-Druck mit einem Zustand eines Wellenversagens korrespondiert. Deshalb kann der Parameter gemessen werden als ein Sicherheitswert, um ein Detektieren eines Wellenversagens zu verifizieren, das durch das Messen plötzlicher Verzögerungen bei dem Niederdruckverdichter gemacht wurde. Natürlich können andere physikalische Parameter, die gleichermaßen durch deren Versagen beeinflusst werden, als Alternative zu dem P3-Parameter gemessen werden. Für den Zweck der folgenden Beschreibung wir die Erfindung beschrieben werden, als beinhalte sie die Messung des P3-Parameters in dem Logikablauf.
  • Der Eingabewert für die Verzögerung kann von Drehgeschwindigkeitssensoren hergeleitet werden, die in der Nähe des Eingangsendes des Niederdruckverdichterlaufschaufelabschnitts angeordnet sind oder in der Nähe der Welle für den Niederdruckverdichter angeordnet sind. Änderungen bei der Drehgeschwindigkeit, die an das FADEC übermittelt werden, können verwendet werden, um die Beschleunigung oder Verzögerung durch das FADEC-System zu berechnen. Der P3-Druck wird von Drucksensoren abgeleitet, die an dem Eingang des Verbrennungsabschnitts angeordnet sind und den Absolutdruck in diesem Bereich messen. Ein Satz von Rotationsgeschwindigkeits- und Drucksensoren kommuniziert mit einem Kanal des FADEC, während ein zweiter Satz von Rotationsgeschwindigkeits- und Drucksensoren mit einem zweiten, Sicherheits-Kanal des FADEC kommuniziert.
  • 3 zeigt den ersten FADEC-Kanal 70, der mit den Sensoreingaben für NL 71 kommuniziert zum Berechnen von NLDot- und P3-Druckabfall 72. Der logische Ablauf ist wie folgt:
    • (1) Das FADEC wird die Rotationsgeschwindigkeiten abfragen und normierte NLDot-Werte in Intervallen von etwa 20 ms berechnen an einem der Kommunikationskanäle. Das tatsächliche Zeitintervall zwischen dem Abfragen kann variierten, bei den bevorzugten Ausführungsformen ist das Abfrage-Zeitintervall zwischen 20 und 30 ms.
    • (2) Wenn der berechnete normierte NLDot-Wert die Grenzlinie für normierte NLDot-Werte (die aus der Darstellung von 2 abgeleitet wurde) bei einigen aufeinander folgenden Abfragen überschreitet, wird dieser Parameter gesetzt, und der logische Ablauf wird zu dem Testen von P3 weitergehen. In der bevorzugten Ausführungsform werden drei sukzessive Abfragen von NL und Berechnungen von NLDot den Paramerter setzen, es kann jedoch auch eine verschiedene Anzahl von sukzessiven Abfragen genommen werden, beispielsweise eine Abfrage oder vier oder mehr Abfragen.
    • (3) Wenn der P3-Wert unterhalb dem vorhergesagten Wert für P3 unter den speziellen Triebwerkbetriebsbedingungen ist, wird die Logik einen Wellenabscher-Zustand erklären. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Wellenabscherzustand erklärt, wenn der P3-Wert 20 psia oder mehr unterhalb des vorhergesagten Werts liegt. Jedoch kann der Unterschied zwischen dem gemessenen P3-Wert und dem vorhergesagten P3-Wert, der erforderlich ist, um ein Wellenversagen zu erklären, ändern, wie es der Fachmann verstehen wird.
    • 4) Wenn die Logik ein Abscheren der Welle erklärt, wird eine Bestätigung dieser Feststellung vorgenommen, indem ein Signal 75 an den Backup-Kanal 80 gesandt wird, der gleichförmige die gleiche Erfassung und Vergleichstests 81 bis 83 durchführt, die an dem Kanal 70 durchgeführt werden. Wenn der Kanal 80 das Ergebnis verifiziert, sendet er ein Signal 85 zurück an den Kanal 70, und beide Kanäle senden Signale zum Abschalten der Maschine.
    • (5) Beide Kanäle werden dann übereinstimmen und Signale an einsatzmäßig programmierbare gate array-Schaltungen (FPGA - Field Programmable Gate Array Circiuts) 76 bzw. 86 senden, welche die Signale von den Kanälen 70 und 80Brennstoffunterbrechung erhalten und eine zu den Maschinen befehlen und so unmittelbar die Maschine verlangsamen, die den Wellenabscherzustand zeigt.
  • Der Vorteil dieses logischen Ablaufs ist dreifach:
    • (1) Der logische Ablauf ist in der Lage, ein Wellenversagen in einer Gesamtzeit von etwa 80 bis 100 ms, abhängig von der exakten Verarbeitungsgeschwindigkeit des FADEC, zu erklären und zu verifizieren. In Anbetracht der Tatsache, dass das Fragmentieren durch die Turbinen strömungsabwärts von der Ausfallstelle weniger als eine Sekunde nach dem Versagen der Welle auftritt, gibt die Reaktionszeit von 50 bis 60 ms dem FADEC-System die Möglichkeit, die Maschine abzuschalten, bevor übermäßige Beschädigung an der Maschine verursacht wird.
    • (2) Der logische Ablauf und der FADEC-Prozessor reagieren viel schneller auf das Versagen als jeglicher menschlicher Kontrolleur jemals reagieren könnte. Falls die Information über die normierten NLDot- und P3-Werte zu dem Piloten in dem Cockpit geschickt würden, würde, selbst wenn der Pilot durch ein Warnlicht von einem erfassten Ausfall gewarnt würde, die Reaktionszeit mindestens 5 bis 25 s betragen, was nicht ausreichend schnell ist, um eine Beschädigung der Maschine zu verhindern. Der hier beschriebene logische Ablauf kann in einem Zeitrahmen durchgeführt und ausgeführt werden, der schneller ist als normale menschliche Reflexe und schnell genug ist, um eine übermäßige Beschädigung an der Maschine oder eine Beschädigung an dem Rumpf zu verhindern, was sich aus einem nicht eingedämmten Versagen ergibt.
    • (3) Der logische Ablauf nutzt mehrere Backups und Logikanordnungen, um ein Abschalten der Maschine unter Pseudoumständen zu verhindern. Die Auslegung der Bestätigung normierter NLDot-Werte mit mehreren sukzessiven Abfragewerten, die Verwendung des P3-Parameters zur sekundären Bestätigung und die Kommunikation mit einem zweiten Kanal zur tertiären Bestätigung dienen alle dazu, ein Abschalten der Maschine zu verhindern, wenn nicht alle Daten auf ein Wellenversagen hinweisen. Das verhindert, dass die Maschine unter Pseudozuständen oder unvorhersagbaren Zuständen, die nicht das Ergebnis eines Wellenversagens sind, abgeschaltet wird. Schließlich erlaubt das eine sichere Verwendung des Logiksystems unter einer Vielzahl von verschiedenen Flugzuständen.
  • 4 illustriert das System, wie es arbeitet, wenn einer der zwei Kanäle, die mit dem FADEC kommunizieren, nicht zur Verfügung steht. Dazu kann es kommen, wenn einer der Kanäle nicht mit einem der Sensoren kommunizieren kann oder wenn der Kanal daran gescheitert ist, eine Verbindung mit dem FADEC-Prozessor herzustellen. In der 4 ist der Kanal 70 der betriebsfähige Kanal, während der Kanal 60 der Kanal ist, der nicht funktioniert. In diesem Betriebsmodus erfolgen die Schritte des Checkens eines übermäßigen NLDot-Werts 71, Checken des P3-Abfalls 72 und Erklären des Wellenabscherversagens 73 wie normal. Wenn jedoch der Kanal 60 nicht zur Verfügung steht, geht es default-mäßig zu dem Status "bestätigt" und bestätigt die im Kanal 70 erreichte Schlussfolgerung. Der Vorteil eines derartigen logischen Ablaufs ist, dass das Flugzeug nicht außer Dienst genommen werden muss, um das Versagen an dem betriebsunfähigen Kanal 60 zu reparieren, da der andere Kanal 70 betriebsfähig bleibt und all die erforderlichen Schritte zum Bestimmen eines Wellenversagens ausführt. In der Folge ist das Flugzeug in der Lage, seine Zeit "in Dienst" zu verlängern und dennoch die erforderlichen Ausfallchecks durchzuführen.
  • Die 1 bis 4 sind auf logische Abläufe gerichtet, die bevorzugt sind zur Verwendung, wenn das Flugzeugtriebwerk voll läuft, wie sie beispielsweise während einem Flug auf Reiseflughöhe oder während des Starts auftreten. Es werden jedoch andere Logikabläufe vorzugsweise während des Anlassens der Maschine und dem Anlaufen der Maschine unterhalb der Leerlaufdrehzahl verwendet. Diese logischen Abläufe sind in der 5 gezeigt.
  • 5 zeigt den logischen Ablauf, der verwendet wird, wenn das Triebwerk sein anfängliches Hochlaufen nach dem Zünden durchläuft. "NH" repräsentiert die Drehgeschwindigkeit des Verdichters mit hoher Drehzahl, während "X%" den Prozentsatz der Geschwindigkeit repräsentiert, den der Verdichter mit hoher Drehzahl, verglichen mit der maximalen Geschwindigkeit bei voller Leistungseinstellung für diesen Verdichter erreicht hat. "NL" repräsentiert die Drehgeschwindigkeit des Verdichters mit niedriger Drehzahl, während "Minimum%" den Prozentsatz der Geschwindigkeit repräsentiert, den der Verdichter für niedrige Drehzahl verglichen mit der Geschwindigkeit bei voller Leistungsein stellung, erreicht hat. Die tatsächlichen Werte für die Parameter X% und Minimum% werden sich abhängig von dem Typ und der Konstruktions des betroffenen Triebwerks ändern, wie der Fachmann verstehen wird.
  • Jedoch ist der Wert Minimum% immer eine Funktion von X%. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Logikablauf auf eine Turbopropmaschine beispielsweise des als "PW150A" bekannten Typs, angewandt wird, ist der bevorzugte X%-Wert zwischen etwa 61% bis 64%, was zwischen 19.000 und 20.000 U/min entspricht. Für diesen speziellen X%-Wert ist das Minimum zwischen 27% und 28%, was 7500 bis 7510 U/min entspricht.
  • Der logische Ablauf von 5 arbeitet, indem zuerst der Wert für NH getestet wird und ihm ein Prozentsatz von maximum U/min (X%) zugewiesen wird. Der Wert von NL wird dann getestet und ihm ein Prozentsatz von Maximum U/min (Minimum%) zugeordnet. Wenn Minimum% der U/min für den Verdichter mit niedriger Geschwindigkeit nicht für jeden Wert von X% des Verdichters für hohe Drehzahl, der bei vorzugsweise drei Intervallen von 20 ms gemessen wurde, erfüllt wird, wird das Anlassen des Triebwerks abgebrochen durch ein Absperren der Brennstoffzufuhr zu der Maschine.
  • Der logische Ablauf für den Teil des Hochlaufens des Anlassens vor dem Leerlauf ist im Wesentlichen der Gleiche wie der, der für das anfängliche Anlassen verwendet wird, wie in der 5 gezeigt. NH wird gemessen, und ein Wert (X%) zugeordnet, und NL wird gemessen und ein Wert (Minimum%) zugeordnet. Wenn Minimum% U/min für den Verdichter mit niedriger Geschwindigkeit für jeden Wert von X% des Verdichters mit hoher Geschwindigkeit nicht erfüllt wird, wobei die Messungen zu mehreren Intervallen genommen werden, wird das Anlassen der Maschine durch ein Abschalten der Brennstoffströmung zu der Maschine abgebrochen.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, dient dies dem Zweck der Illustration und nicht zu deren Beschränkung, und andere Variationen und Modifikationen der speziellen hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen werden dem Fachmann innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen ausgeführt ist, ersichtlich sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Kontrollieren einer Turbinenmaschine (10), wobei die Maschine eine rotierende Welle (21, 22) aufweist, die einen Verdichter (15, 20) und eine Turbine (25) strömungsabwärts von dem Verdichter (15, 20) verbindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: i) Detektieren eines Wellenabscherzustands; ii) Absperren der Brennstoffströmung zu der Maschine (10) in Reaktion auf das Detektieren des Wellenabscherzustands; dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenabscherzustand festgestellt wird durch: a) Erfassen einer Drehgeschwindigkeit der Welle (21, 22) an zwei oder mehr Zeitpunkten; b) Berechnen einer Änderungsrate der Drehgeschwindigkeit der Welle zwischen den Zeitpunkten; und c) wobei, wenn die Änderungsrate der Drehgeschwindigkeit durch eine Verzögerung der Welle (21, 22) unterhalb einer vorbestimmten Grenze verursacht wird, der Abscherzustand vorliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Intervall zwischen dem Erfassungszeitpunkten zwischen 20 und 30 ms beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte a) und b) wiederholt werden und wobei ein Schritt c), wenn die Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit durch eine Verzögerung unter einer vorbestimmten Grenze für jede Berechnung von Schritt b) verursacht wird, Feststellen eines Wellenabscherzustands.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schritte a) und b) dreimal wiederholt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Drehgeschwindigkeit der Welle (21, 22) in der Nähe des Verdichters (15, 20) erfasst wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Maschinenverdichter ein strömungsaufwärtiges Ende mit einer ersten Reihe von Laufschaufeln (15) an dem strömungsaufwärtigen Ende aufweist und wobei die Rotationsgeschwindigkeit der Welle (22) strömungsaufwärts von der ersten Reihe von Laufschaufeln (15) erfasst wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Rotationsgeschwindigkeit der Welle (22) der ersten Reihe von Laufschaufeln (15) benachbart erfasst wird.
  8. Verfahren zum Kontrollieren einer Turbinenmaschine (10), wobei die Maschine eine rotierende Welle (21, 22) aufweist, die einen Verdichter (15, 20) und eine Turbine (25) strömungsabwärts von dem Verdichter (15, 20) verbindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: i) Detektieren eines Wellenabscherzustands; ii) Absperren der Brennstoffströmung zu der Maschine (10) in Reaktion auf das Detektieren des Wellenabscherzustands; dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenabscherzustand festgestellt wird durch: a) Erfassen einer Rotationsgeschwindigkeit der Welle (21, 22) an zwei oder mehr Zeitpunkten; b) Berechnen der Änderungsrate der Geschwindigkeit der Welle zwischen den Zeitpunkten; c) wobei, wenn die Änderungsrate der Drehgeschwindigkeit durch eine Verzögerung der Welle unterhalb einer vorbestimmten Grenze verursacht wird, Folgendes abläuft: 1) Erfassen eines Gasdrucks strömungsabwärts von dem Verdichter (15, 20) zu zwei oder mehr Zeitpunkten; 2) Berechnen der Druckänderung zwischen den Zeitpunkten; und 3) wobei, wenn die Druckänderung durch eine Druckverringerung unter eine vorbestimmte Grenze verursacht wird, der Wellenabscherzustand festgestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Maschine (10) eine Brennkammereinrichtung (24) mit einem Zugang zu der Brennkammereinrichtung (24) von dem Verdichter (15, 20) aufweist und der Druck an dem Zugang zu der Brennkammereinrichtung (24) erfasst wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei sowohl das Erfassen des Schritts a) und das Berechnen des Schritts b) dupliziert werden und wobei, wenn in dem Schritt c) die Änderungsrate der Drehgeschwindigkeit durch eine Verzögerung unterhalb einer vorbestimmten Grenze für die duplizierten Berechnungen verursacht wird, Feststellen eines Wellenabscherzustands.
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