NO754197L - - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører turbinmotorer og særlig en fremgangsmåte og en anordning for avføling, som, når motoren er i drift, gjør det mulig å indikere en bølgenærhets-tilstand eller en nær forestående motorstopp. Oppfinnelsen tjener for oppsporing og indikering av en nær forestående motorstopp og en bølgenærhetstilstand i motorens vifte- eller kompressor-seksjon, innen dette leder til fullstendig avbrudd i motorluft-strømmen. Når en inntredende trykkbølge indikeres eller oppspores på forhånd, vil det være mulig å treffe forebyggende forholdsregler for å unngå den forestående motorstopp eller trykkbølgedannelse, og derved forlenge motorens levetid, forhindre en alvorlig forringelse i motorens virkemåte samt øke driftssikkerhetsmarginen for de flytyper som er utstyrt med turbinmotorer. En turbinmotors ytelse vil dessuten kunne bedres fordi motoren, på grunn av den beskyttelse som er oppnådd ved fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen, vil kunne drives med minimal trykkbølgemargin.

Fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen kan også med fordel benyttes i forbindelse med turbinmotorer som ikke tjener for drift av fly, og/eller ved vifte- og kompressorrigg-prøving, hvorunder det må induseres tilsiktete trykkbølger for å kunne definere og dokumentere bølgelinjen. Ved å identifisere bølgenærhetspunktet og likevel unngå de mekaniske og/eller aerodynamiske påkjenninger som fremkalles av bølgetilstanden, vil det kunne oppnås mange flere data og en forlengelse av maskingodsets levetid.

Foreliggende oppfinnelse representerer en forbedring av

den bølgenærhetsindikator for turbinmotorer, som er kjent fra • US-patentsøknad 400.307. Det er i ovennevnte søknad beskrevet

et par trykkfølsomme transduktorer som er forbundet med trykksonder som er anbrakt i en strømningsbane, f.eks. vifteutstrøm-

ningsbanen, i en turbinmotor. Den ene trykktransduktor er en høyrespons-innretning som er følsom over et frekvensområde,

f.eks. mellom 0 og 1000 Hz. Utgangssignalet fra høyrespons-transduktoren ledes gjennom et båndpassfilter, for å .isolere de ,■ frekvenser som er av interesse, nemlig fra ca. 10 til ca. 250 Hz,

og for å avdempe trykksvingningsfrekvensene utenfor dette område. Den annen transduktor er en lavrespons-innretning som bare påvirkes av lave trykkfrekvenser. Utgangssignalet fra lavrespons-transduktoren ledes gjennom et lavpassfilter som avdemper samtlige frekvenser over ca. 1/4 Hz og bare slipper igjennom lave frekvenser som er ekvivalent med stabiltilstandens absolutte trykknivå. Forholdet mellom amplitydene for de høyfrekvente trykksvingninger og stabiltilstandssignalet beregnes elektronisk i en forholdskalkulator og sammenliknes kontinuerlig med et for-utvalgt referenseforhold i en komparatorkrets. Et beregnet forhold som overstiger referenseforholdet, signaliserer nærheten av eller eksistensen av en bølgetilstand, som gjør det nødvendig å treffe korrigerende forholdsregler, eller frembringe et varselsignal.

Den faktiske inntreden av bølgetilstand kan også oppspores, som beskrevet i ovennevnte patentsøknad, ved passering gjennom høyrespons-transduktorfrekvensene innenfor området 10-90 Hz og motsvarende modifisering av det forutvalgte forhold.

Foreliggende oppfinnelse er en forbedring, basert på den ovennevnte søknads idéer og på det samme grunnprinsipp, nemlig at motorstopp og viftebølgedannelse under drift vil forutgås av en økning i høyfrekvente "trykksvingninger i luftstrømmen bak viften. Ifølge ovennevnte søknad vil disse høyfrekvente trykksvingninger vise en karakteristisk form som kan benyttes som varsel om en begynnende bølgedannelse, og til automatisk igangsetting av bølgeforebyggende prosesser.

De trykknivåer som må avføles, vil i de eksisterende turbinmotorer ligge innenfor et område av 0,2 til 7,0 kg/cm 2.For opp-nåelse av,de beste resultater ved anvendelse av den bølgenærhets-indikator som er beskrevet i den ovennevnte søknad, har et sig-nalområde fra 0,2 til 1,4 kg/cm 2vist seg å være fordelaktig.

De vanlige trykkdetektorer som for tiden er tilgjengelig, har

en nøyaktighetsgrad av pluss-minus to prosent av full skala,

slik at trykket bare kan indikeres med en nøyaktighet av pluss-minus 0,1 kg/cm 2, selv ved de høyeste, forekommende trykk i

motoren. I meget store høyder kan trykket synke til 0,2 kg/cm 2, og i et slikt tilfelle vil nøyaktigheten av utgangssignalet fra trykkdetektorene være relativt liten. Det beskrevne apparat ifølge ovennevnte patentsøknad vil dessuten kreve beregning av . et forhold mellom de høyfrekvente trykksvingningers amplityder og stabiltilstandstrykket, og nøyaktigheten av denne forholds-beregning vil ved lave trykk minske i alvorlig grad.

Begrensningene i forbindelse med den kjente teknikk er ifølge foreliggende oppfinnelse overvunnet, ved at beregningen av signalforholdet er eliminert og erstattet av et utløsernivå som fremkommer som en funksjon av stabiltilstandstrykket. De høyfrekvente trykksvingninger sammenliknes med utløsernivået, og høyfrekvente trykksvingninger som overstiger utløsernivået, indikerer forestående motorstopp eller viftebølgenærhet under drift. Forbedringen medfører en mer pålitelig virkemåte ved lave trykknivåer i tilknytning til store høyder og delkraftutvikling.

En foretrukket versjon av oppfinnelsen omfatter et par trykktransduktorer som er forbundet med trykksonder som er anbrakt i en strømningsbane, bak viften, i en turbinmotor, og som påvirkes av de trykksvingninger som oppstår i luftstrømmen. Den ene transduktor er av høyrespons-type, og utgangssignalet fra denne ledes gjennom et båndpassfilter, for å isolere de høy-frekvenser som er av interesse. Den annen transduktor er av lavrespons-type, og utgangssignalet fra denne ledes gjennom et lavpassfilter, for å frembringe et stabiltilstands-trykknivå. Dette stabiltilstands-trykknivå benyttes for fastlegging av et utløser-nivå som deretter sammenliknes med det .høyfrekvenssignal som frembringes i båndpassfilteret. Hvis det høyfrekvente trykksig-nal har større amplityde enn utløsernivået, vil dette indikere at motoren nærmer seg en bølge- eller driftsstopptilstand, og det kan avgis et varselsignal som kan virke som en alarm eller benyttes for igangsetting av korrigerende forholdsregler.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende

under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori:

Fig. 1 viser et skjematisk riss av en turbinmotor, som viser de installerte, trykkfølsomme transduktorer og deres forbindelse med det forbedrete system for angivelse av en bølgenær-hetstilstand. Fig. 2 viser et diagram, hvor det utledete utløsernivå ifølge fig. 1 er fremstilt som en funksjon av stabiltilstandstrykket.

Et parti av en typisk aksialstrøm-turbinmotor 10 er vist

i fig. 1. Det innføres luft i turbinmotoren, gjennom inntaks-åpningen og inn i vifteseksjonen 12, hvor luften komprimeres

ved hjelp av roterende vifteblad og stasjonære statorer. Det kan være anordnet mer enn én vifteseksjon 12. En del av vifteluften ledes videre inn i en flertrinnskompressor 14, for ytterligere komprimering, og denne luft gjennomgår en forbrenningsprosess og ledes gjennom turbinen som driver vifte- og kompressortrinnene, og passerer tilsist gjennom en dyse, hvorved motoren utvikler et fremadrettet drivtrykk. En annen del av den komprimerte vifte-luft ledes inn i en omføringskanal 16, for å øke motorens trykk-kraft, og vifteluften strømmer ut separat, eller omblandes med hovedluftstrømmen, for deretter å utstøtes gjennom dysen.

Et par trykkfølsomme transduktorer er forbundet med trykksonder som er slik anordnet, at de kan måle trykket i vifteut-strømningsbanen og samtidig reagere på variasjoner, både i amplityde og frekvens, av trykket i den luft som strømmer gjennom vifte-trinnet 12.

Trykktransduktorene er i fig. 1 vist som trykksonder 18 og 20 som, gjennom pneumatiske ledninger henholdsvis 22 og 24, er forbundet med blokker med betegnelsene "lavrespons-trykkdetektor 26" og "høyrespons-trykkdetektor 28". Selv om de i den skjemat-iske figur er vist plassert i omføringskanalen 16 for vifteluften, kan trykksondene 18 og 2 0 være anbrakt i hvilken som helst, hen-siktsmessig sone i vifteutstrømningsbanen. Plasseringsstedet for trykksondene, mellom vifte- og kompressortrinnene, er benevnt "stasjon 2,5" og trykksignalet som frembringes i dette punkt,

har betegnelsen "P2 ,.".

Den viste trykktransduktor, i form av sonden 2 0 og detektoren 28, er fortrinnsvis en høyrespons-transduktor som påvirkes av trykkfrekvenser mellom 0 og 1000 Hz, og i det minste mellom 0 og 100 Hz. Den viste trykktransduktor, i form av sonden 18 og detektoren 26, er en lavrespons-transduktor som påvirkes av lave trykkfrekvenser, f.eks. under 10 Hz. De to transduktorer 26 og 28 vil åpenbart kunne forenes til en enkelt transduktor som har den ønskete følsomhet over hele det aktuelle frekvensområde, og hvor de valgte frekvenser utledes ved hjelp av filtrer.

Signalet fra høyrespons-trykkdetektoren, vist som blokk 28, overføres gjennom en signaltilpasningsforsterker, ikke vist, til et båndpassfilter 3 0 som bare slipper igjennom de trykkfrekvenser som er av interesse, tilnærmelsesvis mellom 10 og 250 Hz, avhen-gig av viftens nøyaktige aerodynamikk. Trykkfrekvensene utenfor dette interesseområde avdempes. Utgangssignalet fra båndpassfilteret 30, som vist A P, overføres til en vekselstrøm-til-likestrømomformer 32, som omformer vekselstrøm-utgangssignalet fra trykktransduktoren 28 til et likestrømsignal, for påfølgende anvendelse. Likestrøm-utgangssignalet fra omformeren 32, som er proporsjonalt med amplityden for trykksignalene i det frekvensområde som har passert gjennom filteret 30, passerer deretter gjennom en normaliseringsforsterker, ikke vist, og overføres som det ene av to inngangssignaler til en komparator, 34.

Utgangssignalet fra lavrespons-trykkdetektoren, vist som blokk 26, ledes likeledes, gjennom en ikke vist forsterker, til et lavpassfilter 36 som også kan omfatte- en residual-balanse-juscering. Lavpassfilteret eliminerer samtlige frekvenser over f.eks. 1 Hz og fortrinnsvis over 1/4 Hz. Utgangssignalet fra lavpassfilteret 3 6 er i form av likestrøm, og har en amplityde som er proporsjonal med det absolutte stabiltilstandstrykk i vifteutløpskanalen. Utgangssignalet fra lavpassfilteret 36 over-føres deretter, gjennom en ikke vist normaliseringsforsterker, til en funksjonsgenerator 38, hvori det utledes et referanse-utløsernivå-signal A PT som en funksjon av det absolutte stabiltilstandstrykk P2 5.

Fig. 2 viser et diagram av variasjonen i utløsernivået

A P^som en funksjon av det absolutte stabiltilstandstrykk 5. Utløsernivået er utledet med henblikk på eliminering av unøy-aktigheter som resulterer i drift ved bølgenærhetsgrensen i store høyder og under delkraftutvikling. Ved lave trykk, under 0,4 kg/cm 2, er utløsernivået A PT konstant, og dette vil mulig-gjøre oppsporing av høyfrekvente trykksvingninger, uten for-styrrende innvirkning på grunn av lavfrekvenstrykk-detektorens unøyaktighet. I midtområdet, mellom ca. 0,4 og 1,4 kg/cm 2, inn-stilles A P som en konstant multiplisert med P„ j-, og dette tillater frembringelse av en ekvivalent A P /P_ . Den viste konstant ifølge fig. 2 har en verdi av 0,4.

I områdene for de høye trykk, vanligvis over 1,4 kg/cm 2, hvor trykket generelt ligger utenfor de nivåer som har interesse for bølgenærhetsindikatoren, men innenfor de nivåer som må tole- reres av trykktransduktorene, heves A P^til et høyt nivå, for å unngå utilsiktet oppsporing av forstyrrelser, f.eks. i form av trykktopper som fremkalles av trykkøkningsutstyr som er vanlig anvendt i turbinmotorer.

Fremstillingen av kurven ifølge fig. 2 i blokken 38 k<*>an gjennomføres ved hjelp av et elektronisk strømkretssystem som vil være kjent for fagmannen.

Utgangssignalet fra funksjonsgeneratoren 38, A P^, over-føres deretter som et andre inngangssignal til komparatoren 34. Komparatoren 34 sammenlikner høyresponssignalet A P med utløser-nivåsignalet A P^og vil derved, dersom høyfrekvenssignalet A P overstiger utløsernivået A P^,, avgi et utgangssignal. Utgangssignalet kan sendes til en motorregulator, som krav om korrigerende forholdsregler, for å forebygge eller dempe en bølgedann-else, eller signalet kan benyttes for betjening av en alarm. Korreksjonene kan bestå i åpning av utløpskanaler i motoren,

åpning av gassgenerator- og/eller vifteomføringsdyser, minsk-

ning av brennstofftilførselen, eller omstilling av regulerbare vifte- og/eller kompressorstatorer. Alarmen kan bestå av et lys,

en summer eller et flagg som indikerer en nødvendig regulator-omstilling.

Anvendelsen av utløsernivået, i motsetning til forholdsberegningen, medfører den fordel at driften kan opprettholdes ved de lave trykknivåer hvor trykkdetektorene er karakteristisk unøyaktige. Det er også mulig å forhindre drift ved trykknivåer

som ligger over interessesonen. Strømkretsprosessen er enklere enn forholdsberegningen og dessuten mer støyfri, og gir en øket nøyaktighet.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse vil bølgedannelse

i en turbinmotor kunne imøtegås på et meget tidligere tidspunkt enn det som er mulig ved hittil kjente anordninger. Målingen av motorens aerodynamiske karakteristika i vifteutløpsbanen gir en lengre, reell varseltid, innen den faktiske bølgedannelse i

motoren oppstår, og det vil følgelig være mer tid til disposi-

sjon for de korrigeringer som er nødvendig for å forebygge bølgedannelse.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i sin foretrukne versjon, for anvendelse i vifteutstrømningsbanen i en turbinmotor, er det åpenbart at oppfinnelsens idé kan komme til anvendelse ved en turbojetmotor eller ved kompressortrinnet i en turbinmotor, hvor trykksondene vil plasseres i kompressorutstrømningsbanen. Ut-løsersignalets form vil derved være tilsvarende modifisert og båndpassfilterets frekvensområde justert, for å overføre de frekvenser som er fastslått å være representativ for den spe-sielle motors aerodynamikk.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i elektronisk strømkrets-terminologi, vil det være åpenbart at det kan anvendes mekaniske, væsketrykks- eller andre komponenter, og at det kan foretas andre forandringer i bølgeindikatorens sammensetning og arrangement,

og i dens virkemåte, uten å avvike fra oppfinnelsens ramme som er definert i de etterfølgende patentkrav.

Claims (10)

1. Indikator for en turbinmotor, karakterisert ved at den omfatter

trykkdetektormidler som er plassert i en strømningsbane i motoren, og som frembringer signaler som er en funksjon av gass-trykksvingningene i motoren, et båndpassfilter som er anordnet for å motta signalene og derved viderelede bare de høyfrekvente signalkomponenter som er karakteristiske for trykkbølgen i motoren, et lavpassfilter som likeledes er anordnet for å motta signalene og derved viderelede bare de lavfrekvente signalkomponenter som indikerer den stabile trykktilstand, midler for utleding av et utløsersignal fra de lavfrekvente signalkomponenter, samt en komparator for sammenlikning av de høyfrekvente signalkomponenter med utløsersignalet og for frembringelse av et utgangssignal når de høyfrekvente signalkomponenters amplityde overstiger utløsersignalets amplityde.

2. Indikator i samsvar med krav 1, karakterisert ' ved at trykkdetektormidlene omfatter en første, høyrespons-trykktransduktor og en andre, lavrespons-trykktransduktor.

3. Indikator i samsvar med krav 2, karakterisert ved at signalene som frembringes av den første transduktor, overføres til båndpassfilteret, mens signalene som frembringes av den andre transduktor, overføres til lavpassfilteret.

4. Indikator i samsvar med krav 1, karakterisert ved at båndpassfilteret er avstemt for videreleding av signalkomponenter innenfor et område av ca. 10 Hz til ca. 250 Hz.

5. Indikator i samsvar med krav 1, karakterisert ved at de lavfrekvente signalkomponenter som passerer gjennom lavpassfilteret, er mindre enn ca. 1 Hz.

6. Indikator i samsvar med krav 1, karakterisert ved at trykkdetektormidlene er anbrakt i banen for luft-strømmen fra viftekanalen i en turbinmotor.

7. Indikator i samsvar med krav 1, karakterisert , ved at utløsersignalet frembringes av en funksjonsgenerator.

8. Indikator i samsvar med krav 7, karakterisert ved at funksjonsgeneratoren avgir et utløsersignal som er konstant ved lave amplityder for de lavfrekvente signalkomponenter, som øker lineært med de mellomliggende amplityder for de lavfrekvente signalkomponenter og som har en høy, konstant verdi ved høye amplityder for de lavfrekvente signalkomponenter.

9. Fremgangsmåte for bestemmelse av bølgenærhetstilstand i en turbojetmotor, karakterisert ved frembringelse av signaler for angivelse av de gasstrykk-svingninger som oppstår i en strømningsbane i motoren, modifisering av disse gasstrykksvingningssignaler ved eliminering av de frekvenskomponenter som ikke er karakteristisk for bølgenærhetstilstand i motoren, utleding av et signal for stabil trykktilstand fra gass-trykksvingningssignalene, utleding av et utløsersignal fra signalet for den stabile trykktilstand, samt sammenlikning av utløsersignalet med de modifiserte gasstrykksvingningssignaler.

10.F remgangsmåte i samsvar med krav 9, karakterisert ved frembringelse av et utgangssignal for an givelse av bø lgenærhetstilstand i motoren, dersom de modifiserte gasstrykksvingningssignaler overstiger utløsersignalet.