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Dokumentenidentifikation DE102004013273A1 10.11.2005
Titel Verfahren zur Regelung eines Flugtriebwerks sowie Flugtriebwerk
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Böcker, Alexandra, 80336 München, DE;
Pluijms, Antoon, 85221 Dachau, DE;
Riegler, Claus, Dr., 85757 Karlsfeld, DE;
Schmidt, Klaus-J., Dr., 81247 München, DE
DE-Anmeldedatum 18.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004013273
Offenlegungstag 10.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.11.2005
IPC-Hauptklasse B64D 31/00
IPC-Nebenklasse F02C 9/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters desselben.
Abhängig von einer aerodynamischen Drehzahl eines Verdichters wird eine Winkelstellung verstellbarer Leitschaufeln des Verdichters beeinflusst, um so einen zulässigen Pumpgrenzabstand des Verdichters vorzugsweise während eines Betriebszustands, in welchem Startschub benötigt wird, einzuhalten. Erfindungsgemäß wird insbesondere während eines Betriebszustands, in welchem Startschub benötigt wird, eine Eintrittstemperatur von Luft in das Flugtriebwerk, insbesondere in den Verdichter, ermittelt und mit einer Referenztemperatur verglichen, wobei dann, wenn die Eintrittstemperatur unterhalb der Referenztemperatur liegt, die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln beeinflusst wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters desselben, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Flugtriebwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Die Stabilitätsreserve bzw. der Pumpgrenzabstand von Verdichtern in Gasturbinenflugtriebwerken ist entscheidend für den sicheren Betrieb eines Flugtriebwerks. Ein Strömungsabriss im Verdichter eines Flugtriebwerks führt zum sogenannten Pumpen desselben und kann zum Absturz des Flugzeugs führen. Daher muss ein Triebwerkspumpen sicher vermieden werden. Als Auslegungskriterium hierfür dient der sogenannte Pumpgrenzabstand des Verdichters.

Der Pumpgrenzabstand eines Verdichters ist von verschiedenen Einflüssen abhängig. Besondere Bedeutung hat dabei die Einhaltung eines minimalen radialen Spaltes zwischen den rotierenden Laufschaufeln eines Verdichterrotors und einem feststehenden Gehäuse desselben. Je kleiner dieser radiale Spalt zwischen den rotierenden Bauteilen und den feststehenden Bauteilen des Verdichters gehalten wird, desto größer ist der Pumpgrenzabstand. Bei der Einhaltung eines möglichst geringen radialen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Verdichters sind wiederum viele Einflussgrößen von Bedeutung. So muss zum Beispiel beachtet werden, dass die rotierenden Bauteile sowie die feststehenden Bauteile des Verdichters aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind sowie über unterschiedliche Materialstärken und damit letztendlich über unterschiedliche thermische Zeitkonstanten verfügen, sodass sich während des Betriebs der Gasturbine bzw. des Verdichters die rotierenden sowie feststehenden Bauteile unterschiedlich stark ausdehnen. Diese unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten der Bauteile des Verdichters spielen vor allem dann eine entscheidende Rolle, wenn beim Beschleunigen eines Flugtriebwerks vom Leerlauf auf Startschub nach dem Erreichen des Startschubs Drehzahl und Schub bereits stationär sind, die rotierenden sowie feststehenden Bauteile des Verdichters hingegen aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten noch erheblichen Maßänderungen unterliegen. So ist festzustellen, dass der radiale Spalt zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Verdichters nach dem Erreichen des Startschubs vorübergehend wieder größer wird, wodurch die Stabilitätsreserve bzw. der Pumpgrenzabstand des Verdichters verringert wird. Der obige Betriebspunkt nach Erreichen des Startschubs ist demnach für die Auslegung der Stabilitätsreserve bzw. des Pumpgrenzabstands von Verdichtern von entscheidender Bedeutung, wobei dieser Betriebspunkt auch als Maximum Take Off Schub (MTO Schub) Betriebspunkt bezeichnet wird. Für diesen Betriebspunkt mit dem vorübergehend maximal auftretenden, radialen Spalt zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse des Verdichters muss ein entsprechender Pumpgrenzabstand vorgehalten werden, um einen Abfall der Stabilitätsreserve kompensieren zu können und damit ein Pumpen des Flugtriebwerks auszuschließen.

Bei den obigen Zusammenhängen zwischen dem Pumpgrenzabstand und dem radialen Spalt zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Verdichters muss berücksichtig werden, dass der Radialspalt auch von der Außentemperatur bzw. einer Luft-Eintrittstemperatur in das Flugtriebwerk bzw. den Verdichter abhängig ist. So vergrößert sich der radiale Spalt zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Verdichters an sehr kalten Tagen beim Start eines Flugzeugs mit nicht-vorgewärmten Flugtriebwerken. Der Pumpgrenzabstand muss demnach auf diesen Maximum Take Off Schub Betriebspunkt mit nicht-vorgewärmten Flugtriebwerken bei sehr tiefen Außentemperaturen ausgelegt werden. Eine derartige Auslegung des Verdichters mit einem hohen Pumpgrenzabstand beschränkt jedoch den Verdichterwirkungsgrad bzw. die Freiheitsgrade in der Auslegung des Verdichters. Um aber den Verdichterwirkungsgrad zu optimieren, soll der Pumpgrenzabstand und damit die Stabilitätsreserve des Verdichters so gering wie möglich gehalten werden.

Um einen Kompromiss zwischen dem erforderlichen Pumpgrenzabstand für den Verdichter und einem guten Verdichterwirkungsgrad zu finden, ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, durch Regelungsverfahren die verstellbaren Leitschaufeln eines Verdichters zu beeinflussen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Regelungsverfahren beeinflussen abhängig von einer aerodynamischen Drehzahl des Verdichters die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln, umso über einen weiten Betriebsbereich des Verdichters den erforderlichen Pumpgrenzabstand und damit die erforderliche Stabilitätsreserve einzuhalten. Die aus dem Stand der Technik bekannten Regelungsverfahren schöpfen jedoch die Potentiale der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters bzw. der entsprechenden Verstellgeometrie nicht voll aus, sodass nach dem derzeitigen Stand der Technik die Flugtriebwerke bzw. Verdichter weiterhin mit einem übergroßen Pumpgrenzabstand ausgelegt werden. Dies sorgt für einen verringerten Wirkungsgrad derselben.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde ein neuartiges Verfahren zur Regelung eines Flugtriebwerks sowie ein entsprechendes Flugtriebwerk zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Regelung eines Flugtriebwerks gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird insbesondere während eines Betriebszustands, in welchem Startschub benötigt wird, eine Eintrittstemperatur von Luft in das Flugtriebwerk, insbesondere in den Verdichter desselben, ermittelt und mit einer Referenztemperatur verglichen, wobei dann, wenn die Eintrittstemperatur unterhalb der Referenztemperatur liegt, die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters beeinflusst wird.

Mithilfe des hier vorliegenden, erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung eines Gasturbinenflugtriebwerks ist es möglich, ohne konstruktive Änderungen an der Gasturbine eine zusätzliche Stabilitätsreserve bereitzustellen. Durch das erfindungsgemäße Regelungsverfahren werden die Potentiale der Verstellgeometrie verstellbarer Verdichterleitschaufeln optimal ausgenutzt. Durch eine bloße Änderung im elektronischen Regler für die Gasturbine ist es möglich, für bereits existierenden Triebwerke eine zusätzliche Stabilitätsreserve bereitzustellen. Flugtriebwerke, die sich bereits in der Entwicklung befinden, können unter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens entweder mit einem höheren Wirkungsgrad oder kostengünstiger mit einer geringeren Anzahl von Schaufeln ausgelegt werden. Zukünftig zu entwickelnde Flugtriebwerke können durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem geringeren Pumpgrenzabstand ausgelegt werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dann, wenn die Eintrittstemperatur unterhalb der Referenztemperatur liegt, abhängig von einer Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder abhängig von einem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters derart beeinflusst, dass proportional mit der Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder proportional mit dem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters weiter geschlossen wird.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zusätzlich thermische Historiedaten des Flugtriebwerks, insbesondere des Verdichters, ermittelt, wobei die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters einerseits abhängig von der Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder von dem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur und anderseits abhängig von den thermischen Historiedaten beeinflusst wird, und wobei dann, wenn anhand der thermischen Historiedaten auf ein vorgewärmtes Flugtriebwerk geschlossen wird, bei gleichbleibender Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder gleichbleibendem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln weniger weit bzw. weniger stark geschlossen wird als dann, wenn anhand der thermischen Historiedaten auf ein kaltes Flugtriebwerk geschlossen wird.

Das erfindungsgemäße Flugtriebwerk ist in Patentanspruch 10 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 ein schematisiertes Arbeitskennfeld eines Verdichters eines Flugtriebwerks;

2 ein schematisiertes Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des Pumpgrenzabstands eines Verdichters eines Flugtriebwerks von einem Radialspalt;

3 ein schematisiertes Diagramm zur Verdeutlichung der zeitlichen Abhängigkeit des Radialspalts eines Verdichters eines Flugtriebwerks während eines Starts eines Flugzeugs;

4 ein schematisiertes Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit von Leistungsparametern eines Verdichters eines Flugtriebwerks von einer Luft-Eintrittstemperatur;

5 ein schematisiertes Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens;

6 ein schematisiertes Diagramm analog zu 1 zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens;

7 ein schematisiertes Diagramm analog zu 4 zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens; und

8 ein weiteres schematisiertes Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens.

Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 8 in größerem Detail beschrieben. Bevor nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 bis 8 das erfindungsgemäße Regelungsverfahren im Detail beschrieben wird, sollen vorab unter Bezugnahme auf 1 bis 4 einige Wirkungszusammenhänge in Bezug auf die Stabilitätsreserve bzw. den Pumpgrenzabstand eines Verdichters beschrieben werden.

1 zeigt ein Arbeitskennfeld eines Verdichters, wobei auf der horizontal verlaufenden Achse des Arbeitskennfelds ein sogenannter Verdichterdurchsatz sowie auf der vertikalsverlaufenden Achse des Verdichterkennfelds ein sogenanntes Verdichterdruckverhältnis aufgetragen ist. Mit der Bezugsziffer 10 ist im Arbeitskennfeld der 1 die sogenannte Pumpgrenze des Verdichters bezeichnet. Mit der Bezugsziffer 11 ist eine Arbeitslinie des Verdichters. und mit der Bezugsziffer 12 sind Linien bezeichnet, für welche das Verhältnis aus Verdichterdrehzahl NH und der Quadratwurzel aus einer Lufteintrittstemperatur T in den Verdichter konstant sind. Mit der Bezugsziffer 13 ist ein auf der Arbeitslinie 11 liegender Arbeitspunkt 13 gekennzeichnet, der dem sogenannten MTO Schub Betriebspunkt (Maximum Take Off Schub Betriebspunkt) entsprechen soll. Um während des Startens mit Sicherheit einen Strömungsabriss im Verdichter bzw. ein Pumpen desselben auszuschließen, muss für diesen Arbeitspunkt 13 eine sogenannte Stabilitätsreserve bzw. ein sogenannter Pumpgrenzabstand PGA zur Pumpgrenze 10 eingehalten werden. Der Pumpgrenzabstand PGA ist demnach ein entscheidendes Designkriterium für Verdichter von Flugtriebwerken.

2 verdeutlicht schematisiert die Abhängigkeit des Pumpgrenzabstands PGA von einem Radialspalt R zwischen den rotierenden Laufschaufeln des Verdichters und einem feststehenden Gehäuse desselben. 2 kann entnommen werden, dass mit zunehmendem Radialspalt R der Pumpgrenzabstand PGA abnimmt. Auch bei zunehmendem Radialspalt muss jedoch ein Strömungsabriss im Verdichter sicher vermieden werden. Der Pumpgrenzabstand PGA wird daher nach dem Stand der Technik auf den maximal auftretenden, radialen Spalt zwischen den rotierenden Laufschaufeln des Verdichters und dem feststehenden Gehäuse desselben ausgelegt.

Insbesondere beim Starten eines Flugzeugs unterliegt der Radialspalt R zwischen den rotierenden Schaufeln und dem feststehenden Gehäuse des Verdichters erheblichen Änderungen. 3 verdeutlicht die zeitliche Abhängigkeit des Radialspalts R während eines Flugzeugstarts. Mit der Kurve RS ist in 3 der zeitliche Verlauf des Radius der rotierenden Laufschaufeln und mit der Kurve RG der zeitliche Verlauf des Radius des feststehenden Gehäuses des Verdichters gezeigt. Der Abstand zwischen der Kurve RS und der Kurve RG bestimmt dabei den Radialspalt R zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse des Verdichters. Bis zum Zeitpunkt ts wird der Verdichter im Leerlauf betrieben. Mit Erreichen des Zeitpunkts ts wird die Drehzahl des Verdichters erhöht, um Startschub bereitzustellen. Wie 3 entnommen werden kann, unterliegt nach dem Umschalten von Leerlauf auf maximalen Startschub der Radialspalt R kurzzeitig einer Verringerung, was durch die auf die rotierenden Laufschaufeln einwirkenden Fliehkräfte bzw. Zentrifugalkräfte verursacht wird. In Folge der Fliehkräfte erhöht sich nämlich der Außenradius der rotierenden Laufschaufel. Infolge der unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten von rotierenden Laufschaufeln und feststehendem Gehäuse unterliegen jedoch diese Baugruppen einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung, wodurch sich im weiteren zeitlichen Verlauf der Radialspalt R zwischen den rotierenden Laufschaufeln bzw. dem Rotor und dem feststehenden Gehäuse wieder vergrößert. Bei Vergrößerung des Radialspalts R verringert sich gemäß 2 die Stabilitätsreserve bzw. der Pumpgrenzabstand PGA des Verdichters. Der oben beschriebene Zeitpunkt bzw. Betriebspunkt des Verdichters, an welchem der Radialspalt R zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse desselben maximal wird, ist für die Auslegung des Pumpgrenzabstands PGA des Verdichters entscheidend. Für diesen Betriebspunkt des Verdichters muss ein ausreichender Pumpgrenzabstand bereitgehalten werden.

In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, dass der oben beschriebene Effekt der Vergrößerung des Radialspalts an sehr kalten Tagen mit sehr tiefen Außentemperaturen und damit bei einer geringen Eintrittstemperatur T der Luft in das Flugtriebwerk stärker ausfällt als bei hohen Außentemperaturen bzw. einer höheren Luft-Eintrittstemperatur T. Außerdem fällt der Effekt der Vergrößerung des Radialspalts R bei nicht-vorgewärmtem Flugtriebwerk stärker aus als bei einem vorgewärmten Flugtriebwerk. Wie

4 entnommen werden kann, wird dieses Problem durch die relativ niedrige Verdichterdrehzahl NH und die dadurch bedingte geringe Fliehkraftdehnung der rotierenden Laufschaufeln verschärft. So zeigt 4 Leistungsparameter eines Flugtriebwerks mit sogenanntem "Flat-Rating", wobei auf der horizontal verlaufenden Achse die Luft-Eintrittstemperatur T aufgetragen ist. So kann 4 entnommen werden, dass die Schubeinstellungen von Flugtriebwerken mit "Flat-Rating" unterhalb einer sogenannten Kink-Point-Temperatur Tk über Reserven in der mechanischen Drehzahl NH des Verdichters verfügen. So ist in 4 einerseits die mechanische Drehzahl NH eines Verdichters und andererseits der Schub S in Abhängigkeit von der Luft-Eintrittstemperatur T dargestellt. Bei Bereitstellung eines maximalen Startschubs SMAX liegt bei Luft-Eintrittstemperaturen unterhalb der sogenannten Kink-Point-Temperatur TK die mechanische Verdichter-Drehzahl NH unterhalb der maximal zulässigen Verdichter-Drehzahl NHMAX. Diese Reserve wird jedoch nach dem Stand der Technik nicht zur Optimierung ausgenutzt.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird ein Regelungsverfahren für eine Gasturbine vorgeschlagen, mithilfe dessen Flugtriebwerke mit einem geringeren Pumpgrenzabstand PGA ausgelegt werden können. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch bei Tagen mit sehr tiefen Außentemperaturen bzw. sehr geringen Luft-Eintrittstemperaturen T in die Gasturbine sowie bei einem Start mit nicht-vorgewärmten Flugtriebwerken eine ausreichende Stabilitätsreserve für den Verdichter eines Flugtriebwerks bereitgestellt. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden hierzu abhängig von der Luft-Eintrittstemperatur in den Verdichter der Gasturbine Winkelstellungen der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters beeinflusst. Im Detail wird hierzu wie folgt vorgegangen.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird die Eintrittstemperatur T von Luft in die Gasturbine, nämlich in den Verdichter derselben, ermittelt und mit einer Referenztemperatur verglichen. Bei dieser Referenztemperatur kann es sich einerseits um die Kink-Point-Temperatur TK oder auch um die Temperatur der internationalen Standardatmosphäre TISA handeln. Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei der Temperatur der internationalen Standardatmosphäre TISA um eine triebwerksunabhängige Referenztemperatur und bei der Kink-Point-Temperatur TK um eine triebwerksabhängige Referenztemperatur handelt.

Wird festgestellt, dass die aktuell ermittelte Eintrittstemperatur T der Luft in die Gasturbine unterhalb der Referenztemperatur liegt, so wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung die Winkelstellung &agr; der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters beeinflusst. Diese Abhängigkeit kann dem Diagramm der 5 entnommen werden, wobei in 5 auf der horizontal verlaufenden Achse das Verhältnis von Verdichterdrehzahl NH zu der Quadratwurzel aus der Luft-Eintrittstemperatur T und auf der vertikal verlaufenden Achse die Winkelstellung &agr; der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters dargestellt ist. Mit der Bezugsziffer 14 ist das nach dem Stand der Technik herkömmliche Verstellgesetz für die verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters gezeigt, mit der Bezugsziffer 15 das sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einstellende Verstellgesetz. So kann 5 entnommen werden, dass dann, wenn die Eintrittstemperatur T unterhalb der Referenztemperatur liegt, die Winkelstellung &agr; der verstellbaren Leitschaufeln derart beeinflusst wird, dass mit einer zunehmenden Abweichung &Dgr;T von der Referenztemperatur die Winkelstellung &agr; der verstellbaren Leitschaufeln weiter geschlossen wird. Die Regelung erfolgt dabei entweder abhängig von der Differenz zwischen der Eintrittstemperatur T und der Referenztemperatur oder abhängig von dem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur T und der Referenztemperatur. Dabei wird proportional mit der Differenz zwischen der Eintrittstemperatur T und der Referenztemperatur oder proportional mit dem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur T und der Referenztemperatur die Winkelsteilung &agr; der verstellbaren Leitschaufeln weiter geschlossen. Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass bei Luft-Eintrittstemperaturen T, die unterhalb der Temperatur der internationalen Ständardatmosphäre TISA bzw. unterhalb der Kink-Point-Temperatur TK liegen, die Leitschaufeln des Verdichters in dem Betriebsbereich, in welchem Startschub benötigt wird; zusätzlich geschlossen werden. Nach der Erfindung wird ein proportional mit der Differenz zwischen Eintrittstemperatur T und Referenztemperatur oder dem Verhältnis zwischen Eintrittstemperatur T und Referenztemperatur ansteigender Offset zur Schließung der Leitschaufeln des Verdichters bereitgestellt. Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung kann ein Verlust an Pumpgrenzabstand an Tagen mit tiefen Außentemperaturen im Vergleich zu Tagen mit höheren Außentemperaturen nahezu vollständig kompensiert werden.

Der Mechanismus, der letztendlich im Flugtriebwerk zu einem höheren Pumpgrenzabstand des Verdichters an sogenannten Kalttagen führt, resultiert dabei aus folgenden Effekten, die einerseits die Arbeitslinie 11 des Verdichters absenken und andererseits die Pumpgrenze 10 desselben erhöhen. Das Absenken der Verdichterarbeitslinie 11 sowie das Erhöhen der Pumpgrenze 10 ist in 6 dadurch visualisiert, dass die sich im Sinne der Erfindung einstellenden Kennlinien mit gestrichelten Linien gezeigt sind, wohingegen die Kennlinien nach dem Stand der Technik mit durchgezogenen Kennlinien dargestellt sind. Aus 1 folgt unmittelbar die sich mithilfe des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens einstellende Vergrößerung des Pumpgrenzabstands PGA. Dem liegen die folgenden Effekte zugrunde.

Durch das Schließen der Leitschaufeln des Verdichters erhöht sich die mechanische Drehzahl NH des Verdichters und damit der Laufschaufeln (siehe 7), wobei sich infolge einer Drehzahlerhöhung die Fliehkraftdehnung der Laufschaufeln erhöht und dadurch der Radialspalt zwischen den Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse verringert wird. Dies erhöht den Wirkungsgrad und senkt die Arbeitslinie 11 des Verdichters ab. Der gleiche Effekt erhöht auch den Wirkungsgrad der den Verdichter antreibenden Turbine, wodurch die Arbeitslinie des Verdichters ebenfalls abgesenkt wird. Zusätzlich steigt die Pumpgrenze 10 im Verdichter aufgrund des verringerten Radialspalts. Die Pumpgrenze 10 im Verdichter wird des weiteren bei Betrachtung eines Arbeitspunktes mit konstantem Verdichterdurchsatz durch das Schließen der Leitschaufeln im Kennfeld der 6 nach links oben verschoben. Unter der Annahme, dass der Verdichterdurchsatz nahezu unverändert bleibt, steigt der Pumpgrenzabstand PGA. Weiterhin steigt unter der Annahme, dass der Verdichterwirkungsgrad beim Schließen der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters nahezu konstant bleibt, auch die aerodynamische Drehzahl der Turbine und damit deren Wirkungsgrad, wodurch die Arbeitslinie 11 des Verdichters ebenfalls abgesenkt wird. _ Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung wird die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters nicht lediglich in Abhängigkeit von der Luft-Eintrittstemperatur T geregelt, sondern vielmehr auch in Abhängigkeit sogenannter thermischer Historiedaten des Flugtriebwerks.

Die thermischen Historiedaten umfassen zumindest eine Ist-Temperatur der Gasturbine, nämlich des Verdichters, sowie zusätzlich den unmittelbar zurückliegenden Verlauf der Ist-Temperatur. Bei der Ist-Temperatur kann es sich um eine Metall- oder Gastemperatur handeln. Anhand der Historiedaten kann demnach direkt oder unter Verwendung eines analytischen Modells festgestellt werden, ob ein kaltes und damit nicht-vorgewärmtes oder ein vorgewärmtes Flugtriebwerk vorliegt. Abhängig davon, ob nun ein kaltes oder vorgewärmtes Flugtriebwerk vorliegt, erfolgt die erfindungsgemäße Beeinflussung der Winkelstellung der verstellbaren Verdichterleitschaufeln unterschiedlich stark. Wird anhand der thermischen Historiedaten festgestellt, dass ein vorgewärmtes Flugtriebwerk vorliegt, so wird bei einer gleichbleibenden Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder bei gleichbleibenden Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln weniger weit geschlossen, als dann, wenn anhand der thermischen Historiedaten auf ein kaltes Flugtriebwerk geschlossen wird. Damit wird der von der Abweichung zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur abhängige Offset auf das Verstellgesetz für die Leitschaufeln zusätzlich in Abhängigkeit zum Grad der Aufheizung des Flugtriebwerks gebracht. Der Offset fällt bei einem kalten bzw. nicht-vorgewärmten Triebwerk an Tagen mit sehr geringen Außentemperaturen maximal aus.

Das oben beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Beeinflussung der Winkelstellung von Leitschaufeln eines Hochdruckverdichters.

8 visualisiert den Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Hochdruckverdichters NH und der Drehzahl des Niederdruckverdichters NL. Wie 8 entnommen werden kann, ergibt sich durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens eine Verschiebung dieser Abhängigkeit, wobei die sich im Sinne der Erfindung einstellende Kennlinie zwischen den beiden Drehzahlen in 8 gestrichelt dargestellt ist. Um die sich infolge der Erfindung einstellenden, höheren Drehzahldifferenzen bei Beschleunigungen sowie Verzögerungen des Flugtriebwerks zu berücksichtigen, kann eine Anpassung der Beschleunigungs-Gesetze für die Gasturbine erfolgen.

Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, ohne Änderung des konstruktiven Aufbaus von Flugtriebwerken eine zusätzliche Stabilitätsreserve für den Hochdruckverdichter bereitzustellen. Bereits existierende Flugtriebwerke, die bei geringen Außentemperaturen über Stabilitätsprobleme verfügen, können während Wartungsarbeiten durch eine Modifikation in der Regelungselektronik optimiert werden. Bereits in der Entwicklung befindliche Flugtriebwerke können unter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens entweder mit einem höheren Wirkungsgrad oder mit einer geringeren Anzahl von Schaufeln ausgelegt werden. Bei neu zu entwickelnden Flugtriebwerken kann durch das erfindungsgemäße Verfahren das Flugtriebwerk mit einem geringen Pumpgrenzabstand ausgelegt werden und damit ein höherer Wirkungsgrad der Gasturbine realisiert werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist einer Gasturbine bzw. einem Flugtriebwerk eine entsprechende Regelungseinrichtung zugeordnet, in welcher Regelungsgesetze zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert sind.

10Pumpgrenze 11Arbeitslinie 12Drehzahllinie 13Arbeitspunkt 14Verstellgesetz 15Verstellgesetz

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Regelung eines Flugtriebwerks, insbesondere eines Verdichters desselben, wobei abhängig von einer aerodynamischen Drehzahl eines Verdichters eine Winkelstellung verstellbarer Leitschaufeln des Verdichters beeinflusst wird, um so einen zulässigen Pumpgrenzabstand des Verdichters einzuhalten, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere während eines Betriebszustands, in welchem Startschub benötigt wird, eine Eintrittstemperatur von Luft in das Flugtriebwerk, insbesondere in den Verdichter, ermittelt und mit einer Referenztemperatur verglichen wird, und dass dann, wenn die Eintrittstemperatur unterhalb der Referenztemperatur liegt, die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln beeinflusst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Eintrittstemperatur unterhalb der Referenztemperatur liegt, abhängig von einer Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder abhängig von einem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln beeinflusst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Eintrittstemperatur unterhalb der Referenztemperatur liegt, die Winkelstellung der verstellbareren Leitschaufeln derart beeinflusst, dass mit zunehmender Abweichung von der Referenztemperatur die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln weiter geschlossen wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass proportional mit der Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder proportional mit dem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln weiter geschlossen wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich thermische Historiedaten des Flugtriebwerks, insbesondere des Verdichters, ermittelt werden, und dass abhängig von den thermischen Historiedaten die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln beeinflusst wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Historiedaten zumindest eine Ist-Temperatur des Flugtriebwerks, insbesondere des Verdichters, umfassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Historiedaten zusätzlich den unmittelbar zurückliegenden Verlauf der Ist-Temperatur des Flugtriebwerks, insbesondere des Verdichters, umfassen.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der thermischen Historiedaten überprüft wird, ob ein kaltes oder vorgewärmtes Flugtriebwerk, insbesondere ein kalter oder vorgewärmter Verdichter, vorliegt.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln einerseits abhängig von der Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder von dem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur und andererseits abhängig von den thermischen Historiedaten des Flugtriebwerks beeinflusst wird, wobei dann, wenn anhand der thermischen Historiedaten auf ein vorgewärmtes Flugtriebwerk geschlossen wird, bei gleichbleibender Differenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur oder bei gleichbleibendem Verhältnis zwischen der Eintrittstemperatur und der Referenztemperatur die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln weniger weit geschlossen wird als dann, wenn anhand der thermischen Historiedaten auf ein kaltes Flugtriebwerk geschlossen wird.
  10. Flugtriebwerk, mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Turbine, mindestens einer Brennkammer, und mindestens einer Reglereinrichtung zur Beeinflussung einer Winkelstellung verstellbarer Leitschaufeln eines Verdichters abhängig von einer aerodynamischen Drehzahl des Verdichters, um so einen zulässigen Pumpgrenzabstand des Verdichters einzuhalten, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere während eines Betriebszustands, in welchem Startschub benötigt wird, die Reglereinrichtung eine ermittelte Eintrittstemperatur von Luft in das Flugtriebwerk, insbesondere in den Verdichter, mit einer Referenztemperatur vergleicht, und dass dann, wenn die Eintrittstemperatur unterhalb der Referenztemperatur liegt, die Reglereinrichtung die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln beeinflusst.
  11. Flugtriebwerk nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Reglereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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