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Die
Erfindung betrifft die Kontrolle von Gasturbinenmaschinenverdichtern
und insbesondere das Kontrollieren des Stall-Grenzbereichs (stall
margin) in Gasturbinenmaschinen.
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Das
Phänomen
des Verdichterstall wurde mit der Verbesserung der Leistungseigenschaften
von Gasturbinenmaschinen ein wichtiger begrenzender Faktor bei deren
Betrieb. Bei modernen Gasturbinenmaschinen kann sich beim Beschleunigen
oder bei Flugbedingungen in großer
Höhe und
niedrigerer Geschwindigkeit eine instabile Strömung in dem Verdichter entwickeln,
die zu einem Stall mit sich ergebender Zunahme der Turbinentemperatur
und mechanischer Vibrationen zusammen mit einer gleichzeitigen Abnahme
der der Turbine zugeführten
Kühlluft
führen.
Diese Bedingungen beschreiben "Verdichterstall" und können zu
einem Turbinenversagen führen,
wenn der Verdichterstall nicht erkannt wird und keine korrektive
Maßnahme
ergriffen wird. Ein Turbinenversagen während des Maschinenbetriebs
kann zu ernsthafter Beschädigung
an der Maschine und dem Flugzeug führen.
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Es
ist bekannt, dass während
eines transienten Maschinenbetriebs, beispielsweise während der
Beschleunigung oder Verlangsamung der Maschine, die thermischen
Eigenschaften (die Temperaturen der Gasströmung und der Metalle) der Verdichterkomponenten
nicht die gleichen sind, wie sie das während Dauerbetriebzuständen sind.
Während
eines transienten Maschinenzustands gibt es einen Wärmeübertrag
zwischen dem durch den Verdichter strömenden Gas und dem metallischen
Gehäuse,
den metallischen Laufschaufeln und den metallischen Statoren des
Verdichters. Wärme
fließt
von dem Metallgehäuse,
den Metalllaufschaufeln und den Metallstatoren zu dem durch den
Verdichter strömenden
Gas und erhöht
so die Gastemperatur. Das führt
dazu, dass die Temperatur des durch den Verdichter strömenden Gases
am Austrittsende des Verdichters höher ist als vor dem Verdichter
bei einer vorgegebenen Drehzahl als die korrespondierende Dauerzustandstemperatur.
In Folge gibt es eine Dif ferenz oder einen nicht passenden Zustand
bei den Druckverhältnissen und
den Temperatureigenschaften zwischen den vorderen Stufen des Verdichters
und den hinteren Stufen des Verdichters in Folge von Wärmetransfereffekten,
was die Verdichterstabilität
negativ beeinflusst. Es ist unerwünscht, einen nicht passenden
Zustand der thermischen Eigenschaften und der Druckeigenschaften
der Gasströmung
durch die Verdichterstufen zu haben, da das dazu führen kann,
dass die hinteren Stufen bei niedrigeren korrigierten Drehzahlen
arbeiten, da die Drehzahl mit der Gasströmungstemperatur korreliert
ist. Die Stabilität
des Verdichters ist während
des nicht zusammenpassenden Zustands der Gasströmungseigenschaften beeinträchtigt,
da die vorderen Stufen ein viel höheres Druckverhältnis als
die hinteren Stufen haben können,
was zu einem potenziellen Stall-Zustand führt. Beispielsweise verringern
während
des Verzögerns
von einer hohen auf eine niedrige Leistung Wärmetransfereffekte von heißen Metallteilen
(Gehäuse
und Strömungsprofile)
die Geschwindigkeit, mit der die Gasströmungstemperatur von der mit
der Dauerzustandeigenschaft korrespondierenden Temperatur abnimmt.
Ohne Wärmetransfereffekte
würde die
Gasströmungstemperatur
mit einer viel schnelleren Geschwindigkeit abnehmen und eine niedrigere
Temperatur erreichen. Der Wärmetransfereffekt
verringert tendenziell die korrigierte Verdichterdrehzahl der hinteren
oder rückwärtigen Stufen
des Verdichters. Das verringert die Saugfähigkeit der hinteren Stufen.
Mit anderen Worten erfährt
die Gasströmung
einen Widerstand, wenn sie axial strömungsabwärts des Maschinenströmungswegs
strömt.
Die vorderen Stufen werden deshalb mit einem Rückstaudruck beaufschlagt, und
die Betriebslinie für
diese vorderen Stufen nähert
sich wiederum der Stall-Linie, was den Stall-Grenzbereich verringert.
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Die
thermischen Eigenschaften der Maschine können unter Verwendung von erfassten
Parametern synthetisiert oder berechnet werden, um die Verformung
der Statorlaufschaufeln und die Brennstoffströmung zu kontrollieren, um ein
akzeptables Niveau an Stall-Grenzbereich während Beschleunigung und anschließendem thermischem
Ungleichgewichtszustand zu schaffen. Beispielsweise beschreibt US
Patent 5 165 845, welches auf die vorliegende Anmelderin übertragen
wurde, ein Kontrollsystem zum Modifizieren von Maschinen-Luftströmungsgeometrie,
um den Verdichterstall-Grenzbereich während Ma schinenbeschleunigung
durch Synthetisieren der thermischen Vergrößerung kritischer Verdichterstufen
zu erhöhen.
Diese thermische Erhöhung
liefert ein Maß der
temporären
Zunahme des Spiels zwischen Laufschaufel und Gehäuse während der Beschleunigung. Die Änderung
des Spiels wird verwendet, um ein Signal zu liefern, welches wiederum
die Statorleitschaufelverformung während der Beschleunigung erhöht, bis
das Spiel auf ein Nennniveau zurückkehrt.
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Das
vorangehend beschriebene Verfahren des Stands der Technik erhöht den Stall-Grenzbereich während einer
thermischen Hochleistungsstabilisierung, wenn Spitzenspiele groß werden.
Jedoch wurden, obwohl Verfahren des Stands der Technik eine Einbuße bei dem
Stall-Grenzbereich in Folge von erhöhten Spitzenspielen kompensieren,
Einbußen
bei dem Stall-Grenzbereich in Folge eines nicht passenden Zustands
von Gasströmungseigenschaften
verstärkt
durch Wärmetransfereffekte
nicht adäquat
verstanden und angesprochen. Andere Kontrollsysteme des Stands der
Technik zum Erhöhen
von Stall-Grenzbereich sind infolgedessen, dass sie sich auf eine
Mehrzahl von Strömungsmessungen
verlassen, komplex zu implementieren und nicht robust.
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US 5 385 012 beschreibt
ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben eines Abzapfens,
um Pumpen (surge) in dem Verdichter einer Gasturbine entgegenzuwirken.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform
ist das Bereitstellen eines Maßes
thermischer Destabilisierung des Verdichters der Gasturbinenmaschine
in Folge von Wärmetransfereffekten.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten
Ausführungsform
ist das Vorsehen einer verbesserten Kontrolle des Stall-Grenzbereichs während der
Maschinenbeschleunigung.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Tatsache, dass während transienten
Maschinenbetriebs ein nicht passender Zustand der Gasströmung durch
die Verdichterstufen in Folge von Wärmetransfereffekten vorherrscht,
was die Verdichterstabilität
negativ beeinflusst. Die vorliegende Erfindung synthetisiert ein
Signal, welches für
einen nachteiligen Wärmetransferparameter
indikativ ist, welches ein Maß für die Verdichterspielstabilisierung
ist. Die vorliegende Erfindung liefert zumindest in ihrer bevorzugten
Ausführungsform
eine Korrekturmaßnahme
und behält
einen adäquaten
Verdichterstall-Grenzbereich bei, wenn die Verdichterstabilität beeinträchtigt ist.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Kontrollsystem in Kombination
mit einer Gasturbinenmaschine und zur Verwendung während transienter
Maschinenbedingungen gemäß Anspruch
1.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist ein Kontrollsystem zum Kontrollieren
des Verdichterstall-Grenzbereichs während eines transienten Zustands
in einer Gasturbinenmaschine eine Einrichtung zum Erfassen von Signalen
auf, die indikativ für
die Gasströmungstemperatur
und den Gasdruck sind. Das Kontrollsystem weist ferner eine auf
erfasste Signale ansprechende Bearbeitungseinrichtung auf zum Synthetisieren
und Bereitstellen eines verarbeiteten Signals, welches für ein Maß der Verdichterdestabilisierung
in Folge von Wärmetransfereffekten
indikativ ist. Das Kontrollsystem kann ferner eine Ausgabeeinrichtung
ansprechend auf das verarbeitete Signal aufweisen, um eine Korrekturmaßnahme zum
Erhöhen
des Verdichterstall-Grenzbereichs zu bewirken. Beispielsweise kann
die Ausgabeeinrichtung eine Maschinenkontrolleinrichtung aufweisen,
die ein Teil des Kontrollsystems ist. Die Maschinenkontrolleinrichtung
erhöht ansprechend
auf das synthetisierte Signal den Stall-Grenzbereich entweder durch
Anpassen der variablen Verdichter-Luftströmungsgeometrie, durch Brennstoffströmungsverringerung
oder durch Modulieren des Verdichterzapfventils.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zum Berechnen
von Metalltemperaturen der Laufschaufeln und des Gehäuses, eine
Einrichtung zum Berechnen der Ableitungen der Metalltemperaturen,
was indikativ für
die Geschwindigkeit des Wärmeübertrags
ist, eine Einrichtung zum Kombinieren der Metalltemperaturgeschwindigkeit
mit Metallmasse und eine Einrichtung zum Normalisieren des kombinierten
Signals mit der Gesamtgasenthalpie zum Synthetisieren eines dimensionslosen
Wär meübertragparameters.
Die Ausgabeeinrichtung erhöht
den Verdichterstall-Grenzbereich
durch Öffnen
eines Zapfventils in Verdichtermitte, um den Rückstaudruck der vorderen Stufen
zu entlasten oder durch Schließen
der variablen Verdichterleitschaufeln oder durch Absenken der Brennstoffströmungsplanvorgabe während Wiederbeschleunigung,
was die Betriebslinie des Hochdruckverdichters absenkt und so den
Verdichterstall-Grenzbereich erhöht.
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Die
vorliegende Erfindung hat ihren Nutzen dahingehend, dass sie ein
verbessertes Kontrollsystem zum Kontrollieren des Stall-Grenzbereichs
während
transienter Maschinenzustände,
insbesondere während einer
auf eine Beschleunigung folgenden Verlangsamung, liefert. Die vorliegende
Erfindung bewirkt die Kontrolle des Stall-Grenzbereichs durch Synthetisieren
eines Maßes
der Verdichterdestabilisierung in Folge von Wärmetransfereffekten.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, für
die gilt:
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1 ist
eine Darstellung einer Gasturbinenmaschine, welche das Kontrollsystem
der vorliegenden Erfindung inkorporiert, und
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2 ist
ein Blockdiagramm der Signalverarbeitungslogik, die ein Teil des
Kontrollsystems von 1 ist.
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen. Dort ist eine
beispielhafte Ausführungsform
einer bekannten zweispuligen Turbobläsermaschine 100 zusammen
mit einem korrespondierenden Kontrollsystem 104 gezeigt,
welches die vorliegende Erfindung implementiert hat, wie im Detail
nachfolgend beschrieben. Die Maschine weist einen Niederdruckverdichter 108,
verbunden durch eine Welle mit einer Niederdruckturbine 112, einen
Hochdruckverdichter 116, verbunden durch eine Welle mit
einer Hochdruckturbine 120 und einen Brennerabschnitt 124,
der zwischen dem Hochdruckverdichter 116 und der Hochdruckturbine 120 angeordnet
ist, auf. Ein Zapfventil 128 ist zwischen den vorderen
und den hinteren Stufen des Hochdruckverdichters angeordnet, um Verdichterluft
von dem Verdichterströmungsweg
in den Bläserströmungsweg
während
bestimmter Maschinenbetriebszustände
abzugeben. Außerdem
wird vorausgesetzt, dass die Maschine einen Mechanismus zum Variieren
der Luftströmungsgeometrien,
beispielsweise variable Verdichterleitschaufeln, hat. Für die vorliegenden
Zwecke ist es ausreichend, zu verstehen, dass die Ablenkung der
Leitschaufeln durch eine Statorpositionskontrolle 130 variiert
wird.
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Ein
Temperatursensor oder -umwandler 132 kann vorzugsweise
in dem Gasströmungweg
bei dem Abgabebereich des Verdichters angeordnet sein. Ein Drucksensor
oder -umwandler 138 kann vorzugsweise ebenso in dem Gasströmungsweg
an dem Abgabebereich des Verdichters positioniert sein. Die Platzierung des
Temperatur- und Drucksensors variiert mit Maschinentypen.
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Die
Gasströmungstemperatur
an der Signalleitung 136 ist ein Eingabewert, der dem Kontrollsystem 104 der
vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird. Der Gasdruck an der
Leitung 139 bildet auch einen Eingabewert für das Kontrollsystem 104.
Das Kontrollsystem 104 der vorliegenden Erfindung weist
einen Signalprozessor 144 zum Verarbeiten der erfassten
Gasströmungstemperatur
und des erfassten Gasströmungsdrucks auf.
Details des Signalprozessors 144 werden mit Bezugnahme
auf die Beschreibung hinsichtlich 2 geliefert.
Das Ausgabesignal des Prozessors an der Leitung 148 wird
der Maschinenkontrolleinrichtung 152 bereitgestellt. Die
Maschinenkontrolleinrichtung erhöht
in Reaktion auf das Ausgabesignal den Verdichterstall-Grenzbereich
durch das Schicken eines Signals an der Leitung 156 entweder
zu dem Verdichterzapfventil oder den variablen Verdichterleitschaufeln.
In 1 ist die Signalleitung 156 als mit dem
Verdichterzapfventil 128 verbunden gezeigt. Obwohl das
nicht gezeigt ist, kann die Signalleitung 156 mit der Statorpositionkontrolleinrichtung 130 verbunden
sein, welche die Verformung der variablen Verdichterleitschaufeln
zum Variieren der Luftströmungsgeometrie
bewirkt.
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In 2 ist
ein Blockdiagramm des Signalprozessors 140 des Kontrollsystems
gemäß einer
beispielhaften bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Signalprozessor 144 hat
zwei Eingänge.
Das Signal an der Leitung 136, welches indikativ für die Gasströmungstemperatur
in dem Verdichter ist, bildet einen Eingabewert an dem Metalltemperaturberechnungslogikblock 160.
Ein zweiter Eingabewert an der Leitung 139, der für den Gasdruck
indikativ ist, bildet auch einen Eingabewert für den Logikblock 160.
Dieser Logikblock 160 berechnet Temperaturen, die proportional
zu tatsächlichen
Metalltemperaturen (Statoren/Laufschaufeln und Gehäuse) sind,
durch Anwenden einer Verzögerung
erster Ordnung auf die Gasströmungstemperatur.
Der Wert der Verzögerung
variiert zwischen dem Gehäuse
und den Statoren/Laufschaufeln und ist eine Funktion der Metallmasse
und eine Funktion des Gasdrucks.
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Der
Ausgabewert des Metalltemperaturberechnungslogikblocks 160 an
der Signalleitung 164 bildet den Eingabewert für den Wärmetransferberechnungslogikblock 168.
Diese Logik im Block 168 berechnet einen Wärmeübertragparameter
durch Differenzieren von Metalltemperaturen für das Gehäuse und Stator/Laufschaufel.
Der Wärmeübertrag
ist proportional zur Ableitung der Metalltemperatur. Deshalb wird
der Metalltransferparameter berechnet, indem man das Produkt der
Metalltemperaturableitungen und der Metallmasse für jedes
Bauteil (Gehäuse
und Stator/Laufschaufel) nimmt und die Therme summiert.
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Der
Ausgabewert des Wärmetransferberechnungslogikblocks
168 an
der Signalleitung
172 bildet den Eingabewert für den Normalisierungslogikblock
176.
Dieser Logikblock
176 berechnet einen dimensionslosen Wärmeübertragparameter
durch Dividieren des Ausgabewerts des Logikblocks
168 durch
das Produkt von Gasströmung
und Temperatur. Dieser dimensionslose Wärmetransferparameter ist ein
Maß für die Menge
an Wärme,
die der Gasströmung
durch das umgebende Metall vermittelt wird und ist indikativ für die thermische Verdichterdestabilisierung.
Diese Logik kombiniert die Metalltemperaturgeschwindigkeiten mit
der Metallmasse und normiert dann die Summe zu der Gasamtgasenthalpie,
wie durch die folgende Gleichung belegt:
wobei Tcdot die Ableitung
der Gehäusetemperatur
ist, M
c die Masse des Gehäuses ist,
TBdot die Ableitung der Laufschaufeltemperatur ist, M
B die
Masse der Laufschaufel ist, MGdot die Ableitung der Masse des Gases
ist, und T
3 die Gasströmungstemperatur ist.
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Der
Ausgabewert des Normalisierungslogikblocks 176 an der Signalleitung 180,
indikativ für
ein Maß der
thermischen Verdichterdestabilisierung in Folge von Wärmetransfereffekten,
bildet einen Eingabewert zu dem Schwellenwertlogikblock 184.
Der Wert an der Signalleitung 180 wird mit einem Schwellenwert
verglichen, der indikativ für
einen gesunden Verdichter ist, der keinen beeinträchtigten
Stabilitätsgrenzbereich
als Folge eines thermisch nicht passenden Zustands hat. Der Schwellenwert
wird durch Messen des Hochdruckverdichter-Stabilitätsgrenzbereiches
einer Maschine während
Dauerzustandsbetrieb und während
thermischer Transienten mit zunehmend zunehmender Stärke bestimmt.
Der Schwellenwert ist dann das Niveau, bei dem eine Kontrollmaßnahme erforderlich
ist, um einen adäquaten
Stabilitätsgrenzbereich
beizubehalten, und er variiert für
unterschiedliche Maschinentypen.
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Wenn
der Wert an der Signalleitung 180 größer ist als der Schwellenwert,
gibt die Schwellenwertlogik 184 ein verarbeitetes Signal
an die Signalleitung 148 ab. Dieses verarbeitete Signal
an der Signalleitung 148 ist ein Eingabewert für die elektronische
Maschinenkontrolleinheit 152. Die elektronische Maschinenkontrolleinheit
verarbeitet das verarbeitete Signal, um einen Befehl an der Signalleitung 156 auszugeben,
der das Modulieren des Verdichterzapfventils 128 zum Erhöhen des
Stall-Grenzbereiches auslöst.
Alternativ kann der Ausgabebefehl an der Signalleitung 156 das
Korrigieren der variablen Luftströmungsgeometrien unter Verwendung
der Statorpositionkontrolleinrichtung 130 des Verdichters
auslösen,
um den Stall-Grenzbereich zu erhöhen.
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Das
Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung kann auf eine Vielzahl
von Wegen implementiert werden. Wie vorangehend beschrieben, kann
das Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung digitale Maschinenkontrolleinrichtungen
nutzen. Alternativ kann die Maschine in einem zugeordneten Mikroprozessor
separat von der Maschinenkontrolleinrichtung implementiert werden.
Wenn ein Mikroprozessor oder etwas Ähnliches zum Implementieren
der Erfindung verwendet wird, beispielsweise in einer digitalen
Maschinenkontrolleinrichtung, kann die Erfindung in der Software
darin implementiert sein. Die Erfindung kann unter Verwendung von
einer fest verdrahteten Logik oder einem analogen Schaltkreis implementiert
sein.
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Ferner
wurde das Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung dergestalt beschrieben,
dass sie ein spezielles Gasströmungstemperatur-Eingabesignal
und ein spezielles Gasdruck-Eingabesignal von Sensoren oder Umsetzern
nutzt, die an speziellen Stellen hinterer Stufen in dem Hochdruckverdichter
positioniert sind. Jedoch sind die Eingabesignale und die Stellen
völlig
beispielhaft, das Kontrollsystem kann mit anderen Temperatur- und
Druckparametern betrieben werden, die durch Umsetzer erfasst werden,
die an anderen Stellen in dem Hochdruckverdichter positioniert sind.
Außerdem
sind die speziellen Komponenten, die zum Ausführen der speziellen Funktionen
des Kontrollsystems der vorliegenden Erfindung beschrieben und gezeigt
wurden, rein beispielhaft. Man sollte deshalb verstehen, dass andere
Komponenten im Lichte der hier gegebenen Lehre verwendet werden
können.
Solche Komponenten sollten Fachleuten bekannt sein. Beispielsweise
wurde das Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung mit einem Verdichterzapfventil
oder einer variablen Luftströmungsgeometrie
als Mechanismus zum Erhöhen
des Stall-Grenzbereiches beschrieben. Der Stall-Grenzbereich kann
auch durch Modulieren der Brennstoffströmung erhöht werden, was die Verdichterbetriebslinie
absenkt und so den Stall-Grenzbereich erhöht.
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Die
Berechnungen und die Logik, die zum Ausführen des Kontrollsystems der
vorliegenden Erfindung gezeigt wurden, sind rein beispielhaft. Andere
Logik kann im Lichte der hier gegebenen Lehren verwendet werden.
Die Signalverarbeitungseinrichtung der vorliegenden Erfindung wurde
die folgenden Logik blöcke
aufweisend beschrieben: Metalltemperaturberechnungslogik, Wärmetransferberechnungslogik,
Normalisierlogik und Schwellenwertlogik. Die Metalltemperaturberechnungslogik
wurde beschrieben, dass sie die Anwendung einer Verzögerung erster
Ordnung der Gasströmungstemperatur
aufweist. Das Maß an
Verzögerung
wurde als eine Funktion der Metallmasse und des Gasdrucks beschrieben.
Man sollte verstehen, dass die Metalltemperatur durch das Anwenden
einer Verzögerung
auf Parameter berechnet werden kann, die andere sind als die Gasströmungstemperatur,
beispielsweise die tatsächliche
gemessene Metall- (Gehäuse-)
Temperatur, und die Größe der Verzögerung kann
als eine Funktion unterschiedlicher Parameter, beispielsweise Luftströmung, Verdichterdrehzahl
und Massenströmung
durch den Verdichter, variiert werden.
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Fachleute
werden verstehen, dass die vorangehend beschriebenen Grenzen und
Schwellenwerte experimentell für
spezielle Maschinentypen abgeleitet wurden. Andere Grenzen und Schwellenwerte
können
im Lichte der hier gegebenen Lehren verwendet werden.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, sollten Fachleute verstehen,
dass verschiedene Konstruktionsänderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
beanspruchten Erfindung abzuweichen.
