NO158964B - Paavisnings- og varslingssystem for rotasjonsstans i kompressor. - Google Patents

Description

<QiPf>f imtslsen angår påvisnings og varslingssystemet for r©tasj.omss(ta)OS i 'kcmpiessoren i gassturbinmotorer*

GasstHirlbinimotoier kan få cotasjonsstans i rotorene på to måter: Opprettelig rotasjonsstans, kjent som "surge",

og uopprettelig rotas jons tans. kjent som "stagnasjon". Disse typene av stans er velkjent i gassturfcinmotor-teknikken og årsakene behøver ikke nærmere redegjørelse her. Det er nok å si at disse rotasjonsstansene vanligvis opptrer under skiftinger i motordriften (f.eks. ved

akselereasjon og retardasjon), og er mer vanlige i motorer som omfatter forsterkere (f.eks. etterbrennere), når disse forsterkerne er brakt i eller er i drift. En motor som har fått en opprettelig rotasjonstans, vil på egen hånd vende tilbake til normal drift selv om piloten vil merke en betydelig svikt i drivkraften mens rotasjonstans opptrer. En uopprettelig rotasjonsstans kan derimot ikke vende tilbake til normal drift av seg selv og krever at piloten kveler og til slutt slår av motoren før større ødeleggelser er påført den av de økte gasstemperaturene som alltid følger med en slik rotasjonsstans. Piloten må deretter starte motoren igjen.

Jo raskere piloten blir klar over at motoren er i en uopprettelig rotasjonsstans, desto bedre er sjansene hans til å kunne starte motoren igjen. Motorer som ikke er utstyrt med varslingssystem for uopprettelig rotasjonsstans, krever at piloten overvåker motorturtallsmåleren og motorens temperaturmåler for å bestemme, på basis av disse avlesningene og sitt skjønn, om han har en uopprettelig rotasjonstans eller ikke. Selv om piloten ser på målerne i det øyeblikket en stans (enten rotasjons eller ikke-totasjons) opptrer, vil det oppstå

en forsinkelse før motorturtallet og temperaturen forandres tilstrekkelig til å gjøre ham oppmerksom på

rotasjonsstanstilstanden. Piloten må også bruke litt tid i tillegg for å bli sikker på at rotasjonsstansen er av den uopprettelige typen, før han tar den relativt drastiske avgjørelsen å slå av motoren. Denne utsettelsen vil ytterligere redusere sjansene for å starte motoren igjen. Det er derfor nødvendig at et påvisningsystem for en uopprettelig rotasjonstans er i stand til å skille mellom uopprettelig rotasjonsstans og opprettelig rotasjonsstans, for å unngå at piloten slår av og på motoren unødvendig, en situasjon som i beste fall kun er farlig.

USA-patentskrift nr. 3,426,322 beskriver et påvisningssystem for kompressorstans, selv om typen kompressorstans ikke er diskutert i selve patentskriftet. Hovedtrekket i dette patentskriftet er at når temperaturen er over en forutbestemt verdi samtidig med at motorhastigheten er mellom en øvre og nedre grense, og at tilstanden varer i en forutbestemt tidslengde ( ti sekunder er gitt som eksempel), så vil det gies et varslingssignal som gjør flyverne oppmerksomme på motorens kompressorstans. Dersom systemet er ment å skulle varsle om en uopprettelig rotasjonsstans, kan det ikke bestemmes ut fra patenskriftet hvor godt systemet skiller mellom uopprettelig og opprettelig rotasjonsstans.

En ting er likevel sikkert, systemet er ikke istand til å advare piloten noe raskere enn den innebygde tidsforsinkelsen.

USA-patentskrift nr. 3,867,717 viser at trykkforholdet over kompressoren faller raskt ved en uopprettelig rotasjonsstans og dette er derfor ofte brukt som en indikasjon på en slik tilstand. Likevel, slik som det er framhevet i dette patentskriftet kan det raske fallet i kompressortrykkforholdet også opptre når motoren ganske enkelt retarderes. Kompressortrykkforholdet kan også bli svært lavt ved normal flygning i store høyder. Det hevdes derfor at å stole på fallet i kompressortrykkforholdet alene kan gi falske indikasjoner på kompressorstans. For å utelukke slike falske indikasjoner på kompressorstans hevdes det i det sistnevnte patentskriftet at temperaturen i eksosgassen fra turbinen også må overvåkes. Rotasjonsstanssignal skal ikke gis før det er en samtidig minkning i kompressortrykkforholdet (under et minimum av kompressortrykkforholdet som er fast-satt empirisk) og økning i turbineksostemperaturen (over en refferansetemperatur for eksosen).

I begge patentskriftene nevnt ovenfor, vil påvisning og varsling av en uopprettelig rotasjonsstans være avhengig av påvisning av økt temperatur i eksosgassen. Selv om forandringer i trykkforholdet oppstår nesten umiddelbart ved begynnelsen til en stans, forandrer eksos-gasstemperaturen seg mer langsomt og er den begrensende faktoren for reduksjon av tiden det tar å påvise med stor sannsynlighet at en uopprettelig rotasjonsstans er oppstått. Flere andre patentskrifter som er representative for teknikkens stand når det gjelder varsling av rotasjonsstans er USA-patentskriftene; nr. 4.060,980, og 4,118,926 og 4,137.710. Det er ønskelig å forbedre disse systemene ved både å forenkle systemet og å reduBere tiden det tar å oppdage en uopprettelig rotaBjonsstans uten at det oppstår falske påvisninger.

Et av oppfinnelsens formål er å frambringe et varslingssystem for kompressorstans som er istand til å skille mellom opprettelig og uopprettelig kompressorstans.

Et annet av oppfinnelsens formål er å frambringe et varslingsystem for kompressorstans som raskere og mer nøyaktig kan påvise en uopprettelig rotasjonsstans enn hittil forekommende systemer.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen vil det bli gitt et utgangssignal som indikerer en uopprettelig rotasjonsstans i kompressoren, når det målte kompressor-trykkf orholdet ved et bestemt motorturtall er lik med eller faller under et forutbestemt trykkforhold for det bestemte motorturtallet.

Det er overraskende blitt konstatert at hvert motorturtall (tilpasset i forhold til motor inntakets temperatur) har et kritisk kompressortrykkforhold Pc som kan bestemmes empirisk, hvor det aktuelle korapressortrykk-forholdet alltid faller under et slikt forutbestemt nivå innen kun en brøkdel av et sekund etter begynnelsen til en uopprettelig rotasjonsstans i kompressoren, og hvor det aktuelle trykkforholdet sjelden kommer under et slikt forutbestemt trykkforhold ved en opprettelig stans. Derfor kan en kurve for slike kritiske trykkforhold forutbestemmes slik at den dekker hele området for driftsturtallene til motoren, og kan dermed brukes til kontinuerlig sammenligning med det aktuelle trykkforholdet for å bestemme begynnelsen til en uopprettelig kompressorstans innen et brøkdel av et sekund etter at den oppstår. Når det aktuelle trykkforholdet er lik med eller faller under det fastlagte kritiske trykkforholdet, vil det gis et utgangssignal som indikasjon på kompressorstans.

I de sjeldne tilfellene hvor aktuelt kompressor-trykkf orhold faller under det kritiske nivået, ved en opprettelig kompressorstans, vil nivået ikke ligge under det kritiBke trykkforholdet lenger enn en liten brøkdel av et sekund, erfaringsmessig mindre enn et tiendedels sekund. Ved å forsikre seg om at trykkforholdet holder seg under det kritiske nivået i en kort tidsperiode før signal gis om at uopprettelig kompressorstans er oppstått, kan en full-stendig unngå falske påvisninger av kompressorstans uten nevneverdig å øke påvisningstiden. Det er videre fastlagt at kurven for forholdet mellom kritisk trykkforhold og tilhørende kompressorrotorturtall (eller f.eks. tilhørende motorturtall) kan representeres ved en rett linje. Dersom NC representerer fastlagt motorturtall og P R representerer det aktuelle trykkforholdet over kompressoren, kan en konstant for NC/PD (heretter kalt "kritisk kompressorstansforhold") forutbestemmes og når et slikt kritisk kompressorstansforhold er lik med eller overstiger den forutbestemte konstanten, har en uopprettelig kompressorstanstilstand vart i mindre enn en brøkdel av et sekund eller vil inntreffe innen en brøkdel av et sekund.

Oppfinnelsen et en videreutvikl ims AX<T> Påvisnings-teknikken fot komptessotstans slik det ffcamgår av USA-patentskriftet ni. 390,573.

Andre sidet og fordeler framgår av patenkravene og

de vedlagte tegningene ;som gjengir én utførelsesform av oppfinnelsen.

Pig. 1 er et flytskjema for en turboviftemotor med todelt kompressor og som omfattei oppfinnelsens påvisnings- system for kompressorstans.

Pig. 2 er en kurve som viser æotorparameter- forholdet som kan brukes i oppfinnelsen.

Pig. 3 viser en alternativ utforming av en del av systemet i fig. 1.

En foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er skjematisk gjengitt i fig. 1, hvor en gassturbinmotor er skissert og representert ved referansenummeret 10. I dette; spesielle eksempelet er motoren 10 en turboviftemotor med todelt kompressor og har en lavtrykkskompressor 12 fulgt av en høytrykkskompressor 14. Lavtrykkskompressoren 12

omfatter viften og er drevet av lavtrykksturbinen 16 som dem er forbundet til med akselen 18. Høytrykkskompressoren 141 er drevet av høytrykksturbinen 20 som den er forbundet til med akselen 22. Et forbrenningskammer 24, hvor drivstoff innsprøytes, gir energi som driver turbinene 16 og 20.

En etterbrenner eller forsterker 26 er plassert inne i ekso8kanalen 28 nedstrøms for turbinen 16. Gassene som passerer gjennom turbinene er ekspanderte gjennom en eksos-dyse 30 med variabel åpning.

I en motor med todelt kompressor inntreffer uopprettelig kompressorstans i høytrykkskompressoren. Derfor er korrelasjonen mellom begynnende kompressorstans, kompressortrykkforholdet og bestemt motorturtall bare gyldig når bestemt motorturtall er det samme som bestemt høytrykksrotorturtall. På samme måte må trykkforholdet i det minste omfatte trykkforholdet over høytrykkskompressoren 14, siden det er i høytrykkskompressoren at trykket blir unormalt ved en uopprettelig kompressorstans. Generelt, når det gjelder turboviftemotorer med todelt kompressor, vil forholdet mellom begynnende, uopprettelig Kompressorstans og komptessortry/kkforholdet være gyldig så lenge som trykkforholftet er målt fra et punkt som ligger oppstrøms for inntaket til høytrykkskompressoren 14 til et punkt som ligger like nedstrøms for utløpet til høytrykks-kompreBBoren. slik som ved innløpet til forbrenningskammeret 24. I denne spesielle utførelsesformen er det brukt trykkforholdet over begge kompressorene, selv om trykkforholdet over høytrykkskompressoren alene vil virke like bra.

Et kritisk trykkforhold Pc kan forutbestemmes ved å framkalle, på kunstig måte, en uopprettelig kompressorstans i en prøvsmotor ved forskjellige bestemte motorturtall NC og samtidig notere aktuelt trykkforhold ved kompressorstansens begynnelse og derved kritisk trykkforhold ?c for det turtallet. Det er fastslått at når disse dataene tegnes i en kurve for kritisk trykkforhold og bestemt motorturtall, vil punktene falle på en rett linje. Ved å bruke minste kvadraters metode kan en rett linje trekkes gjennom punktene. Linjen "A" i fig. 2 gjengir en slik rett linje. Linjen A er heretter kalt kompressor- stanslinjen. Over kompressorstanslinjen er området for når motoren er i normal drift. Under kompressorstanslinjen er området for rotasjonsstans i høytrykkskompressoren. Siden kompreBBorstanslinjen er en rett linje, kan forholdet mellom kompresBsortrykkforholdet, bestemt høytrykksrotorturtall og uopprettelig kompressorstans representeres ved ulikheten:

hvor K er en konstant som har en verdi lik med helningen på kompreBBorstanslinjen A. Når ulikheten er oppfylt er motoren nettopp gått inn i eller er i ferd med å gå inn i en uopprettelig kompressorstanstilstand.

Med henvisning til fig. 1 og i samsvar med oppfinnelsen blir temperaturen T2 til gasstcøt<i>men ved vi-£tt^.inntaket til lavtrykkskompressoren og turtaJLle t N2 til

høytrykkskompressoren målt og maltet til en re<g>neenhet 32 som betegner korrigert høyttykksrotip;r$*<ctall N2C2

og gir et utgangssignal som indå&e&ej: dette. M«j: ispe^iijf.isert er det slik at det målte høyttyl^posfcor-turtalleit 4iv&&e.ires på T2/519, i regneenheten 32. bes.tejRme Korrigert roitiprtwrital 1 er velkjent og ikke en del av oppfinnelsen.

Trykket ved innløpet til lavtrykkskompressoren P,1„. /,•

(motorinntakstrykket) og trykket ved innløpet til torbrenningskammexet, PB> blir målt og matet inn i en regneenhet 34 som beregner forholdet PB/<p>T2'°99ic et utgangssignal P;R som lind iteas jon på et aktuelt trykkforhold over begge kompressorene..

Trykkforholdsignalet fra regneenheten 34 og det korrigerte høytrykksrotor-turtallssignalet fra regneenheten 32 mates til regne og sammeligningsenheten 36 som beregner brøken: N.C og sammenligner dette med P , kompressorstanslinjens konstant K. Hvis brøken er mindre enn K. skjer ingenting. Hvis brøken er større enn eller lik med K, opererer motoren innenfor kompressorstansområdet til grafen i fig. 2. og regne- og sammmenligningsenheten 36 gir et hensiktsmessig utgangssignal 38.

For å fjerne selv den minste sjanse for at motoren opererer under kompressorstanslinjen. p.g.a. et flyktig trykkfall resultert av en opprettelig kompressorstans. blir utgangssignalet 38 kontinuerlig matet til en tidskrets (timer) 40 så lenge som motoren opererer i kompressorstansområdet. Tidskretsen 40 gir et kompressor-stanssignal 42 hvis den mottar utgangssignalet 38 fra regne og sammeligningsenheten 36 uavbrutt i en forutbestemt kort tidslengde X, som kun behøver å være i størrelsesorden en tiendedels sekund eller mindre. Kompressorstanssignalet 42 fra tidtakeren 38 kan brukes til ganske enkelt å varsle piloten og/eller det kan automatisk utløse korrigerende handling slik Bom automatisk å stoppe motoren for deretter å starte den igjen.

I samsvar med orppfinnelsen kan regne og sammen-ligningsenheten 36 r,li byttet ut med et likeverdig organ 36<* >vist i fig. 3. I et slikt tilfelle blir det korrigerte Bignalet for høytrykksrotorturtallet N C fra regneenheten 32 gitt til en regneenhet 44 som utvikler signalet til korrigert kritisk kompressortrykkforhold Pc basert på en kurve slik som kurven Ai fig. 2. Det kritiske kompreBBortrykkforholdet P og aktuelt trykkforhold Pn blir matet tii en sammenligningsenhet 46 som bestemmer om P_R er mindre enn eller lik med P . Hvis det er tilfelle, vil et utgangssignal 38 bli gitt og matet til tidskrets 40 og deretter fortsetter prossesen slik som omtalt i forbindelse med fig. 1.

Claims (7)

1. Anordning for å påvise uopprettelig rotasjonsstans i en gassturbinmotor som har en kompressor, omfattende middel (N2) for påvisning av kompressorens turtall og for å generere et signal N som en indikasjon på dette, middel (T2) for påvisning av motorens inntakstemperatur T og for å generere et signal som en indikasjon på denne, midler (32) for å motta kompresBor-tuttallsignalet N og temperatursignalet T og tor, på grunnlag av disse, å generere et signal som en indikasjon på korrigert kompressorturtall NC, middel (34) for å påvise det aktuelle trykkforholdet PD over kompressoren og å generere et signal som en indikasjon på dette, en sammenligningsenhet (36) for å motta signalet for trykkforholdet og signalet for korrigert kompressorturtall og produsere et utgangssignal som en indikasjon på tilstedeværelsen av en stans i kompressoren når P K er mindre enn eller lik med en forutbestemt verdi Pc> som er trykkforholdet i begynnelsen av en rotasjonsstans, og som varierer med korrigert kompressorturtall NC, karakterisert ved en tidskrets (40) for å motta utgangssignalet fra sammenligningsenheten (36) og for å generere et utgangssignal som en indikasjon på tilBtedeværelBen av en uopprettelig rotasjonsstans i kompressoren dersom sammenligningsenhetens utgangssignal mottas kontinuerlig over et forutbestemt tidsrom.

2. Anordning i samsvar med krav 1, hvor gasstur-binmotoren har delt kompressor og omfatter en høytrykks- og en lavtrykkskompressor (14. 12). hvor høytrykkskompressoren har et innløp og et utløp. karakterisert ved at kompressorturtallet N er høytrykkskompressorens turtall, og at middelet (34) for å påvise trykkforholdet omfatter middel for å måle trykkforholdet fra et punkt ved eller rett oppstrøms for høytrykkskompressorens (14) innløp til et punkt ved eller like nedstrøms for høytrykkskompressorens utløp, hvor trykkforholdet PR i det minste omfat- ter trykkforholdet over høytrykkskompressoren (14).

3. Anordning i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at sammenligningsenheten (36) omfatter en omregningsenhet (46) for kritisk trykkforhold for å motta det korrigerte turtallssignalet, og for på grunnlag av dette å generere et signal som en indikasjon på det kritiske trykkforholdet Pc.

4. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den forutbestemte verdien Pc varierer tilnærmet direkte med korrigert kompressorturtall NC. og at sammenligningsenheten (36) innbefatter middel for å motta signalet for korrigert turtall og signalet for aktuelt trykkforhold, og for. på grunnlag av disse, å beregne verdien NC/PD samt produsere et utgangssignal når nevnte verdi overskrider eller svarer til en forutbestemt konstant verdi K som er stigningen (skråningen) av en linje som representerer det direkte forholdet mellom Pc og NC.

5. Framgangsmåte for å påvise uopprettelig rota-BjonøBtans i kompressoren i en gassturbinmotor som har en kompressor, som omfatter trinnene; påvisning av kompreBBor-turtallet N, påvisning av motorens inntakstemperatur T, beregning av korrigert kompressorturtall NC på grunnlag av N og T, karakterisert ved påvisning av et trykkforhold P_ Rover kompressoren og avgivelse av et utgangssignal når P_ K blir og holder seg mindre enn, eller svarer til en forutbestemt verdi Pc over et forutbestemt tidsrom, hvor Pc er trykkforholdet i begynnelsen av en rotasjonsstans og varierer med korrigert motorturtall, hvilket utgangssignal er en indikasjon på tilstedeværelsen av uopprettelig stans i kompressoren.

6. Framgangsmåte i samsvar med krav 5, hvor motoren har delt kompressor og omfatter en høytrykks- og en lavtrykkskompressor (14, 12) karakterisert ved at N er høytrykkskompressorens turtall og P Ker kompreBBOrtrykkforholdet som omfatter i det minste trykkforholdet over høytrykkskompressoren.

7. Framgangsmåte i samsvar med krav 5 eller 6, karakterisert ved at NC/PC er en konstant for alle kompressorturtall.