DE102020102332A1

DE102020102332A1 - Sensorvorrichtung und Messverfahren

Info

Publication number: DE102020102332A1
Application number: DE102020102332.4A
Authority: DE
Inventors: Ivo Szarvasy; Tobias LEYMANN
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-05
Also published as: US11578837B2; US20210239277A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (50) zur Bestimmung von Messwerten (M) einer Eigenschaft eines Fluides, insbesondere eines Gases (G), in einem Hohlraum (70) eines Gasturbinentriebwerks (10) mit mindestens einem Zulaufkanal (52) für die Führung des Fluides, insbesondere des Gases (G), von dem Hohlraum (70) zu einem Sensorelement (51), gekennzeichnet durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung (60), die mit dem Sensorelement (51) gekoppelt ist und die die Messwerte (M) verarbeitet, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) ein Mittel (61) zur Detektion zeitlicher Änderungen (M') der Messwerte aufweist, die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) ein Auswertungsmittel (62) aufweist, mit dem die zeitlichen Änderungen (M') der Messwerte erfassbar sind und wobei bei einer Abweichung (Δ) der zeitlichen Änderungen der Messwerte (M') von einem vordefinierten Kriterium ein Signal (S) über eine mindestens teilweise Blockade (H) des mindestens einen Zulaufkanals (52) abgebbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Messverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Im Gasturbinentriebwerk in Flugzeugen werden Sensorvorrichtungen zur Erfassung unterschiedlicher Eigenschaften von Fluiden, insbesondere Gasen, wie z.B. Temperaturen oder Drücke, eingesetzt, um z.B. Abweichungen vom nominellen Betriebsverhalten zu detektieren. Diese Detektion kann nur sicher stattfinden, wenn die Arbeitsfähigkeit der Sensorvorrichtungen selbst gewährleistet ist. Insbesondere muss sichergestellt werden, dass das zu messende Gas in angemessener Weise zu einem Sensorelement der Sensorvorrichtung strömen kann, d.h. die Sensorvorrichtung soll eine Blockade in der Gasströmung erkennen können.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei dient die Sensorvorrichtung der Bestimmung von Messwerten einer Eigenschaft eines Fluides, insbesondere eines Gases, in einem Hohlraum eines Gasturbinentriebwerks mit mindestens einem Zulaufkanal für die Führung des Gases von dem Hohlraum zu einem Sensorelement.
Diese Sensorvorrichtung weist Mittel auf, mit denen eine Blockade im Zulaufkanal erkannt werden kann.
Dazu ist eine Datenverarbeitungsvorrichtung mit dem Sensorelement gekoppelt, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung die Messwerte verarbeitet.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung weist ein Mittel zur Detektion einer zeitlichen Änderung der Messwerte auf. Es geht somit nicht nur um die Erfassung der Messwerte selbst, sondern um deren zeitliche Änderung. Mathematisch gesprochen wird hier insbesondere eine erste Ableitung numerisch bestimmt.
Ferner weist die Datenverarbeitungsvorrichtung ein Auswertungsmittel auf, mit dem die zeitlichen Änderungen der Messwerte erfassbar sind. Bei der Feststellung einer Abweichung der zeitlichen Änderungen der Messwerte von einem vordefinierten Kriterium ist ein Signal über eine mindestens teilweise Blockade des mindestens einen Zulaufkanals abgebbar.
Somit wird hier auf Grund der Änderungen im zeitlichen Verhalten der Messwerte auf eine Blockade geschlossen.
In einer Ausführungsform ist das Auswertungsmittel zum Vergleich zeitlicher Änderungen der Messwerte mit vorgespeicherten Basisdaten zu zeitlichen Änderungen von Messwerten der gleichen und / oder einer anderen Eigenschaft des Fluides, insbesondere des Gases, ausgebildet.
Grundsätzlich ist es auch möglich, z.B. die gemessenen Temperaturdaten mit vorgespeicherten Basisdaten einer anderen physikalischen Größe oder mehreren physikalischen Größen zu vergleichen, die Rückschlüsse auf den Temperaturverlauf zulassen. Dabei ist es z.B. möglich, dass mehrere physikalische Größen, z.B. auch die Drehzahl, durch ein Modell miteinander funktionell verbindbar sind, so dass sich Eigenschaften des Fluides, insbesondere des Gases oder andere Eigenschaften des Fluides, insbesondere des Gases, berechnen lassen.
Dabei können die Eigenschaften des Fluides, insbesondere des Gases, eine Temperatur, ein Druck oder eine Zusammensetzung sein. Eine Erfassung dieser Eigenschaften lässt Rückschlüsse auf Abweichungen vom nominellen Verhalten zu. Dabei kann z.B. eine Zustandsgröße des Gasturbinentriebwerks ermittelt werden, die wiederum Rückschlüsse auf die Fluideigenschaften ermöglicht.
Dabei kann der Hohlraum im Gasturbinentriebwerk insbesondere eine Kavität zwischen Rotorscheiben eines Verdichters oder einer Turbine umfassen. In diesem Bereich wird z.B. regelmäßig der Einbruch von Heißgasen durch Thermosensorvorrichtungen überwacht.
In einer Ausführungsform ist mit dem Mittel zur Detektion einer zeitlichen Änderung der Messwerte numerisch eine erste Ableitung der erfassten Messwerte bestimmbar.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die vorgespeicherten Basisdaten in der Datenverarbeitungsvorrichtung den zeitlichen Verlauf und / oder eine erste Ableitung des zeitlichen Verlaufes von Messwerten im nominellen Betrieb ohne Blockade. Diese Daten können dann den Ausgangspunkt für die Bestimmung einer Abweichung vom nominellen Verhalten bilden.
Auch kann das vordefinierte Kriterium eine Temperatur und / oder ein Zeitintervall aufweisen, wobei diese insbesondere in den Basisdaten als Tabelle, Kennfeld und / oder funktionaler Zusammenhang gespeichert sind.
Ferner können die vorgespeicherten Basisdaten in der Datenverarbeitungsvorrichtung den zeitlichen Verlauf und / oder eine erste Ableitung des zeitlichen Verlaufes von Messwerten im nominellen Betrieb ohne Blockade umfassen. Die Basisdaten können dabei z.B. Tabellen, Kennfelder und / oder auch funktionelle Beschreibungen der Eigenschaften enthalten. Die vordefinierte Abweichung zwischen zeitlichen Änderungen der Messwerte und den vorgespeicherten Basisdaten umfasst z.B. auch einen Schwellenwert für die erste Ableitung der Messwerte oder eine zeitliche Änderung der gemessenen Eigenschaft des Fluides, insbesondere des Gases. Wenn z.B. die numerische Ableitung von gemessenen Temperaturdaten langsamer ist, als es den gespeicherten Basisdaten entspricht, wird dies als Zeichen einer Blockade gewertet.
Dabei können die Messwerte und / oder zeitlichen Änderungen der Messwerte, insbesondere die Ableitungen, in einer Abhängigkeit von einem Schubkommando des Gasturbinentriebwerks bestimmbar sein. Ein Schubkommando führt dazu, dass sich Zustände im Gasturbinentriebwerk in definierter Weise, insbesondere als Sprungantwort, ändern. Damit können gerade Abweichungen vom nominellen Verhalten gut bestimmt werden
In einer weiteren Ausführungsform ist das Sensorelement in einem Messbereich angeordnet, in den das Fluid, insbesondere das Gas, bei nominellen Betriebsbedingungen einströmt und mindestens teilweise über einen Abströmkanal abfließt. Dabei kann das Sensorelement insbesondere außerhalb eines Strömungsweges liegen, der vom Abströmkanal zu Leckagen führt, insbesondere kann das Sensorelement um einen Abstand von einem Einlauf des Abströmkanals versetzt sein. Damit wird verhindert, dass bei einer Rückströmung im Blockadefall das Sensorelement nicht im Leckagestrom liegt.
Wenn die Sensorvorrichtung eine Blockade detektiert, kann in einer Ausführungsform das Signal zur Abschaltung oder Änderung eines Betriebszustandes der Gasturbinenvorrichtung verwendet werden.
Die Aufgabe wird auch durch ein Messverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 adressiert.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk, z.B. ein Flugzeugtriebwerk, beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Kerntriebwerk umfassen, das eine Turbine, eine Brennervorrichtung, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Fanschaufeln) umfassen, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Getriebe-Fans, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das über die Kernwelle angetrieben wird und dessen Abtrieb den Fan so antreibt, dass er eine niedrigere Drehzahl als die Kernwelle aufweist. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt über die Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Das Kerntriebwerk kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, eine Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen generell ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend ausgebildet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel). Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es lediglich von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel). Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine Brennvorrichtung axial stromabwärts des Fans und des Verdichters (oder der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Brennervorrichtung direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Die Brennervorrichtung kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln handeln kann (d.h. der Anstellwinkel kann variabel sein). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Jede Fanschaufel kann eine radiale Spannweite aufweisen, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden, von Gas überströmten Stelle oder sich von einer Position einer Spannweite von 0 % zu einer Spitze mit einer Spannweite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann bei weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei Werten im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der vorderen Kante (oder der axial am weitesten vorne liegenden Kante) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Fanschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Fanschaufel an ihrer vorderen Kante gemessen werden. Der Durchmesser des Fans (der allgemein das Doppelte des Radius des Fans sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Fandurchmesser kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Fans kann im Betrieb variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Fans mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit zugehörigen Fanschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fanschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Fanschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Fanspitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Fanspitze, beispielsweise an der vorderen Kante der Spitze, ist (die als Fanspitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Fanspitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Fanspitzenbelastung kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (oder in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Fangehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in die Brennervorrichtung) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 N kg^-ttttttt1S, 105 Nkg^-1S, 100 Nkg^-1S, 95 Nkg¹ _S, 90 Nkg^-1S, 85 Nkg^-1S oder 80 Nkg^-1S betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 °C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 °C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zur Brennvorrichtung, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Fanschaufel und/oder ein Blattabschnitt (aerofoil) einer Fanschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Fanschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Fanschaufel eine vordere Schutzkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch eine vordere Kante kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Fanschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Fan, der hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Fanschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fanschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Fanschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Fanschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Fanschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Fanschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann im Betrieb eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals erlauben. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Der Fan einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Fanschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Fanschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantfahrtbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantfahrtbedingungen außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 °C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Fanbetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen der Fan (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Betrieb kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise zwei oder vier) Gasturbinentriebwerk(e) zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gastu rb i nentriebwerk;
4A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Sensorvorrichtung zur Temperaturmessung
4B eine schematische Darstellung der Ausführungsform gemäß 4A mit einer Blockade im Zulaufkanal;
5 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Messwerten;
6 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes der ersten Ableitungen von Messwerten unter Verwendung einer Ausführungsform einer Sensorvorrichtung;
7 eine perspektivische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Sensorvorrichtung.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 führt die Planetenräder 32 so, dass sie synchron um das Sonnenrad 28 kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht den Fan 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das epizyklische Planetengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne an ihrem Umfang, um ein Kämmen mit den anderen Zahnrädern zu ermöglichen. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines epizylischen Planetengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Planetengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks 10 (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder epizyklisch planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
An unterschiedlichen Stellen des Gasturbinentriebwerks 10 befinden sich Hohlräume 70, in denen sich Gase G, insbesondere Luft, sammeln oder die von Gasen G, insbesondere Luft, durchströmt werden. So wird z.B. Luft aus einer Verdichterstufe entnommen und zu Kühlzwecken eingesetzt.
Dabei ist es u.U. wichtig, Eigenschaften des Gases G im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 sicher zu ermitteln, da z.B. eine zu hohe Gastemperatur das Versagen des Gasturbinentriebwerks 10 oder eines Teiles davon anzeigt.
In der Folge wird der Fall einer Gastemperaturmessung in einem Hohlraum zwischen Rotorscheiben im Bereich der Verdichter 14, 15 beschrieben. Dabei wird anhand der schematischen Darstellung der 4A, 4B, 5 und 6 eine Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 50 beschrieben, bei der insbesondere eine Blockade H eines luftführenden Zulaufkanals 52 mit einem Sensorelement 51 (z.B. ein Bimetallthermoelement) ermittelbar ist.
In der 4A ist die Sensorvorrichtung 50 ohne eine Blockade H im Zulaufkanal 52 dargestellt. In 4B hingegen liegt im Zulaufkanal 50 eine Blockade H vor. Im Folgenden wird auf beide Figuren Bezug genommen.
Eine Blockade H kann insbesondere durch Abriebpartikel und / oder Partikel erfolgen, die durch Schäden im Gasturbinentriebwerk 10 entstehen. Der Zulaufkanal 52 ist hier aus Gründen der Einfachheit als gerade Bohrung dargestellt. Grundsätzlich kann der Zulaufkanal 52 auch nicht-geradlinig sein oder andere geometrische Querschnitte oder Formen aufweisen.
In dem Hohlraum 70 befindet sich ein Gas, was Gasgemische einschließt. Es sei hier beispielhaft davon ausgegangen, dass der Hohlraum 70 eine Kavität zwischen Rotorblättern der Hochdruckturbine 17 sei. Im Hohlraum 70 herrscht bei nominellen Betriebsbedingungen eine Temperatur T₁ . Das Gas G mit dieser Temperatur gelangt über den Zulaufkanal 52 zum Sensorelement 51, das im nominellen Fall eine Temperatur T (siehe 4A) misst. Eine mit dem Sensormittel 51 verbundene Datenverarbeitungsvorrichtung 60 verarbeitet und überwacht im Betrieb die vom Sensormittel 51 erfassten Messwerte M, hier die Temperatur T.
Solange sich die Temperatur T₁ in einem bestimmten zulässigen Bereich befindet, kann von einem nominellen Betrieb der Gasturbinenvorrichtung 10 ausgegangen werden.
Tritt nun z.B. durch einen Schaden im Gasturbinentriebwerk 10 ein anderes Gas mit einer höheren Temperatur T₂ in den Hohlraum 70 ein, so bildet sich im Hohlraum 70 ein Gasgemisch aus, dessen gemittelte Temperatur u.U. zu hoch ist, so dass Steuerungsmaßnahmen ergriffen werden müssen.
Es ist eine Aufgabe der Sensorvorrichtung 50, diese u.U. gefährliche Temperaturerhöhung zu erfassen und ggf. darauf zu reagieren.
Es besteht nun die Gefahr, dass der Zulaufkanal 52 durch eine Blockade H ganz oder teilweise verschlossen ist (siehe 4B), so dass sich die Strömungsverhältnisse des Gases G im Zulaufkanal 52 ändern.
Dies hat Messfehler zur Folge. Das Sensorelement 51 würde eine Erwärmung z.B. nur über eine Wärmeleitung über das umgebende Material erfahren, was angesichts der hohen Wärmekapazität des Materials zu langsam sein könnte. So wird zu einem bestimmten Zeitpunkt t (siehe 4B) an dem Sensorelement 51 nicht die Temperatur T gemessen, sondern eine davon abweichende Temperatur T_B . Das Gas mit der Temperatur T kann auf Grund der Blockade H nicht so schnell zum Sensorelement 50 vordringen.
In 5 ist der zeitliche Verlauf von Temperaturmesswerten M unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen dargestellt.
Gemeinsam ist allen Messwerten, dass diese in Reaktion auf ein Schubkommando K von einem niedrigen Leistungsniveau P₁ auf ein höheres Leistungsniveau P₂ ermittelt werden. Das Schubkommando K ist hier im Wesentlichen als eine Stufenfunktion ausgebildet. Dabei können Daten über das Schubverhalten - und damit auch das Schubkommando K - der Auswertungseinheit 60 (siehe 4A, 4B) zugeführt werden, so dass sich der zeitliche Verlauf der Messwerte M, M' in Reaktion auf das Schubkommando K auswerten lässt.
Als Reaktion auf das Schubkommando K steigt die Temperatur T₁ des Gases im Hohlraum 70 in Form einer Sprungantwort erster Ordnung an und erreicht nach einiger Zeit einen stationären Wert.
Der vom Sensorelement 51 gemessene Wert T ist zeitlich gegenüber der Temperaturänderung der Temperatur T₁ verzögert, d.h., er weist eine etwas größere Zeitkonstante auf, da das Gas G insbesondere durch den Zulaufkanal 52 strömen muss.
Liegt nun eine Blockade H, wie in 4B dargestellt, vor, ist die Temperaturmessung der vom Sensorelement 51 dann gemessene Temperatur T_B noch weiter verzögert.
Dies bedeutet, dass die Sensorvorrichtung 50 u.U. zu spät erkennt, dass ein Temperaturgrenzwert überschritten wurde.
Die 5 stellt den zeitlichen Verlauf der Temperaturmesswerte dar. Die 6 zeigt die zeitlichen Änderungen (hier im Besonderen der Ableitungen) der Temperaturmesswerte M'.
Der Begriff der Ableitung ist hier in numerischer Hinsicht zu verstehen, da die Datenverarbeitungsvorrichtung 60 ein Auswertungsmittel 62 aufweist (siehe 4A, 4B), mit dem die zeitlichen Änderungen M' der Messwerte berechnet werden (numerische Differentiation).
Wie in der Situation gemäß 5 folgen die Ableitungen der Messwerte M' einem Schubkommando K. In der Darstellung als Ableitung wird das Schubkommando K' in der Darstellung der 6 als Impuls dargestellt ist.
Die Ableitung der Gastemperatur T'₁ im Hohlraum und die Ableitung der gemessenen Temperatur T' ohne Blockade H durchlaufen relativ ausgeprägte Maxima. Die Ableitung der Temperatur T'_B im Fall einer Blockade H verläuft hingegen sehr viel flacher, da sich die Temperaturänderung auf Grund der Blockade H nicht so schnell auswirken kann. Der Wert des Maximums von T'_B reicht auch nicht an die Maximalwerte von T' oder T'₁ heran.
Im nominellen Fall (siehe 4A) wird das Maximum der Ableitung der Temperatur T' innerhalb des Zeitintervalls Δt gemessen. Dieser Zusammenhang ist grundsätzlich bekannt und kann in Form von Basisdaten D (z.B. Tabelle, funktionaler Zusammenhang, Kennfeld etc.) gespeichert werden. Dieses Zeitintervall Δt kann als Kriterium zur Definition einer Abweichung Δ der zeitlichen Änderungen der Messwerte dienen.
Im vorliegenden Beispiel kann eine Blockade H z.B. daran erkannt werden, dass innerhalb des vordefinierten Zeitintervalls Δt (z.B. 10 s) nach dem Einsetzen des Schubkommandos K' im blockierten Fall (siehe 4B) das Maximum der Ableitung der Temperatur T'_B noch nicht vorliegt.
In dem Auswertungsmittel 60 ist das nominelle zeitliche Verhalten der zeitlichen Änderungen der Messwerte M' hinterlegt, z.B. als funktioneller Zusammenhang, als Tabelle und / oder als Kennfeld, d.h. das Auswertungsmittel 60 kennt die nominellen Ableitungen der Messwerte M'.
Wenn z.B. ein Maximum der Ableitung des Messwerts M' nach dem Schubkommando K' langsamer als im nominellen Fall erfasst wird (d.h. das Maximum von T'_B liegt außerhalb von Δt), kann somit auf eine Blockade H geschlossen werden.
Durch das Nichtvorliegen des Maximums im Zeitintervall Δt liegt eine Abweichung Δ der zeitlichen Änderungen der Messwerte M' von einem vordefinierten Kriterium (hier einem Maximum im Zeitintervall Δt) vor, so dass ein Signal S über eine mindestens teilweise Blockade H abgebbar (siehe 4B) ist.
Damit ist es möglich, anhand der Ableitungen der Temperaturmesswerte T'₁(t), T'(t) und T'_B(t) (insbesondere der Maxima) deutlicher als nur bei der Erfassung von zeitlichen Verläufen der Temperaturmesswerte T₁ , T(t), T_B(t) zu erkennen, dass eine Blockade H vorliegt.
Zusätzlich oder alternativ kann als vordefiniertes Kriterium auch eine Temperatur T_o (siehe 6) vorgegeben werden, die nach einem Schubkommando K erreicht werden muss. Auch dies wäre ein Kriterium, mit dem die Generierung eines Signals S zur Detektion einer Blockade H eingeleitet werden kann.
Temperaturkriterien (z.B. T₀ ) und zeitliche Kriterien (z.B. Δt) können als eine Art Fenster auch miteinander kombiniert werden. Die Ableitungen der Temperaturverläufe werden dann so erfasst, dass die Temperaturen nach einem Schubkommando K' innerhalb eines gewissen Zeitfensters nach dem Schubkommando K' einen Schwellenwert T₀ überschreiten müssen. Wenn dies nicht der Fall ist, ist dies ein Zeichen, dass eine Blockade H vorliegt und eine sichere Messung nicht möglich ist.
Mit Bezug auf 4A, 4B verfügt die Datenverarbeitungsvorrichtung 60 über ein Mittel 61 zur Detektion der zeitlichen Änderung M' der Messwerte (hier der Ableitungen der Temperaturmesswerte).
Eine weitere Ausführungsform verfügt über ein Auswertungsmittel 62, mit dem die zeitlichen Änderungen M' der Messwerte mit vorgespeicherten Basisdaten D zum zeitlichen Verhalten von Messwerten der gleichen und / oder einer anderen Eigenschaft des Gases verglichen werden können.
Als Basisdaten D können z.B. zusätzlich oder alternativ Temperaturdaten an einer ganz anderen Stelle des Gasturbinentriebwerks 10 verwendet werden (d.h. vom Sensorelement 51 entfernt gemessene Temperaturen), die aber zeitlich auch mit dem Schubkommando K korrelieren. Dies kann z.B. eine Temperatur im Bereich der Verbrennungsvorrichtung 16 sein. Wenn ein Schubkommando K vorliegt, ändert sich diese Temperatur in bekannter Weise. Diese Informationen können mit den Messwerten im Messbereich 80 des Sensorelementes 51 in Beziehung gesetzt werden. Wenn z.B. nach dem Anstieg der Temperaturen im Bereich der Verbrennungsvorrichtung 16 kein Anstieg gemäß der oben genannten Kriterien am Sensorelement 51 gemessen wird, zeigt dies eine Blockade H an.
Somit kann bei einer vordefinierten Abweichung Δ zwischen den Ableitungen der Messwerte M' und den vorgespeicherten Basisdaten D ein Signal S über eine mindestens teilweise Blockade H des mindestens einen Zulaufkanals 52 abgegeben werden. Das Signal S ist damit eine Funktion von Δ. Damit kann z.B. ein Warnsignal abgegeben werden, eine Notabschaltung oder eine andere definierte Änderung des Betriebszustandes des Gasturbinentriebwerks 10 bewirkt werden.
In der 7 ist eine Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 50 dargestellt, die eine Variante der Ausführungsform gemäß der 4 ist, so dass auf die obige Beschreibung Bezug genommen werden kann.
Der Hohlraum 70 ist hier Teil einer Kavität zwischen zwei Rotorblättern eines Verdichters. Das Gas G strömt hier mit der Temperatur T₁ in Richtung des Zulaufkanals 52, der aber durch die Blockade H blockiert ist. Daher kann das Sensorelement 51, das in dem Messbereich 80 angeordnet ist, nur die Temperatur T_B messen.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 60, die mit dem Sensorelement 51 gekoppelt ist, kann anhand der Analyse der zeitlichen Änderungen (Ableitungen) der Temperaturmesswerte feststellen, dass die Änderungen der Temperatur T so ist, dass ein bestimmtes Kriterium nicht erreicht wird (siehe z.B. 6). Dies kann z.B. das Nicht-Erreichen eines Schwellenwertes (z.B. T₀ ) sein, das Nicht-Einhalten eines bestimmten Zeitintervalls (z.B. Δt) oder auch eine Kombination der Kriterien sein.
In der Ausgestaltung gemäß 7 ragt das Sensorelement 51 in den Messbereich 80 hinein und wird im nominellen Fall von dem Gas G umströmt, wobei der Gasstrom dann über eine hier nicht dargestellte Leitung wieder abströmt.
Wenn nun der Zulaufkanal 52 blockiert ist, kann der Abströmkanal noch offen sein. Es könnte sich dann ein neuer Gasstrom in Form eines Leckagestroms ausbilden (siehe gepunktete Linie in 7), indem über den Abströmkanal Gas angesaugt wird, dass dann über vorhandene Leckagen L in der Halterung des Sensorelementes 51 strömt. Somit würde das Sensorelement 51 falsche Temperaturmesswerte erfassen. Auch das dynamische Verhalten (Ableitungen) der Messwerte wäre verändert.
Um diese Fehlerquelle zu minimieren, ist der Eingang des Abströmkanals um einen Abstand a vom Sensorelement 51 und dem Messbereich 80 axial nach oben versetzt. Somit liegt das Sensorelement 51 selbst bei fehlerhafter Zuströmung durch den Abströmkanal nicht in der sich dann ausbildenden Leckageströmung, d.h. außerhalb des Strömungsweges vom Abströmkanal zu Leckagen.
Die Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den 4 bis 6 dargestellt wurden, beziehen sich auf Temperaturmessungen. Das gleiche Prinzip, d.h. die Bestimmung und Verarbeitung von zeitlichen Änderungen von Messwerten M' zur Detektion einer Blockade H können auch für Druckmessungen oder Messungen von Zusammensetzungen verwendet werden.
In dem hier dargestellten Beispiel werden die Eigenschaften eines Gases erfasst. Grundsätzlich kann aber dieses Vorgehen bei Fluiden generell verwendet werden. So kann z.B. eine transiente Veränderung einer Öltemperatur im Vergleich zu einer Referenztemperatur erfasst werden.
Bezugszeichenliste

9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Welle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Getriebe
32: Planetenräder
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
50: Sensorvorrichtung
51: Sensorelement
52: Zulaufkanal
60: Datenverarbeitungsvorrichtung
61: Mittel zur Erfassung einer zeitlichen Änderung eines Messwertes
62: Auswertungsmittel
70: Hohlraum
80: Messbereich
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
D: vorgespeicherte Basisdaten
Δ: vorbestimmte Abweichung zwischen der zeitlichen Änderung von Messwerten und vorgespeicherten Daten
Δt: Zeitintervall
G: Fluid, Gas
H: Blockade
K: Schubkommando
K': Ableitung des Schubkommandos
L: Leckage
M: Messwerte
M': zeitliche Änderung (Ableitung) der Messwerte
P1: niedriges Leistungsniveau
P2: höheres Leistungsniveau
P': zeitliche Änderung der Leistung
S: Signal
T: gemessene Temperatur am Sensorelement ohne Blockade im Zulaufkanal
T0: Schwellenwert
TB: gemessene Temperatur am Sensorelement mit Blockade im Zulaufkanal
T1: erste Gastemperatur im Hohlraum
T2: zweite Gastemperatur im Hohlraum
T': zeitliche Änderung (Ableitung) der Temperaturmesswerte

Claims

Sensorvorrichtung (50) zur Bestimmung von Messwerten (M) einer Eigenschaft eines Fluides, insbesondere eines Gases (G), in einem Hohlraum (70) eines Gasturbinentriebwerks (10) mit mindestens einem Zulaufkanal (52) für die Führung des Fluides, insbesondere des Gases (G), von dem Hohlraum (70) zu einem Sensorelement (51), gekennzeichnet durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung (60), die mit dem Sensorelement (51) gekoppelt ist und die die Messwerte (M) verarbeitet, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) ein Mittel (61) zur Detektion zeitlicher Änderungen (M') der Messwerte aufweist, die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) ein Auswertungsmittel (62) aufweist, mit dem die zeitlichen Änderungen (M') der Messwerte erfassbar sind und wobei bei einer Abweichung (Δ) der zeitlichen Änderungen der Messwerte (M') von einem vordefinierten Kriterium ein Signal (S) über eine mindestens teilweise Blockade (H) des mindestens einen Zulaufkanals (52) abgebbar ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertungsmittel (62) zum Vergleich zeitlicher Änderungen (M') der Messwerte mit vorgespeicherten Basisdaten (D) zu zeitlichen Änderungen von Messwerten der gleichen und / oder einer anderen Eigenschaft des Fluides, insbesondere des Gases (G), ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft des Fluides, insbesondere des Gases (G), eine Temperatur, ein Druck oder eine Zusammensetzung ist.
Sensorvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (70) im Gasturbinentriebwerk (10) eine Kavität zwischen Rotorscheiben eines Verdichters (14, 15) oder einer Turbine (17, 19) umfasst.
Sensorvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Mittel (61) zur Detektion einer zeitlichen Änderung (M') der Messwerte numerisch eine erste Ableitung der erfassten Messwerte (M) bestimmbar ist.
Sensorvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespeicherten Basisdaten (D) in der Datenverarbeitungsvorrichtung (60) den zeitlichen Verlauf und / oder eine erste Ableitung des zeitlichen Verlaufes von Messwerten (M, M') im nominellen Betrieb ohne Blockade (H) umfassen.
Sensorvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vordefinierte Kriterium eine Temperatur (T) und / oder ein Zeitintervall (Δt) aufweist, wobei diese insbesondere in den Basisdaten (D) als Tabelle, Kennfeld und / oder funktionaler Zusammenhang gespeichert sind.
Sensorvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (M) und / oder zeitlichen Änderungen der Messwerte (M'), insbesondere die Ableitungen, in einer Abhängigkeit von einem Schubkommando (K, K') des Gasturbinentriebwerks (10) bestimmbar sind.
Sensorvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (51) in einem Messbereich (80) angeordnet ist, in den das Fluid (G), insbesondere das Gas, bei nominellen Betriebsbedingungen einströmt und mindestens teilweise über einen Abströmkanal abfließt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (51) außerhalb eines Strömungsweges liegt, der vom Abströmkanal zu Leckagen (L) führt, insbesondere, dass das Sensorelement (51) um einen Abstand (a) von einem Einlauf des Abströmkanals versetzt ist.
Sensorvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (S) zur Abschaltung oder Änderung eines Betriebszustandes der Gasturbinenvorrichtung (10) verwendbar ist.
Messverfahren zur Bestimmung von Messwerten (M) einer Eigenschaft eines Fluides, insbesondere eines Gases (G), in einem Hohlraum (70) eines Gasturbinentriebwerks (10) mit mindestens einem Zulaufkanal (52) für die Führung des Fluides, insbesondere des Gases (G) von dem Hohlraum (70) zu einem Sensorelement (51), dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Datenverarbeitungsvorrichtung (60), die mit dem Sensorelement (51) gekoppelt ist, die Messwerte (M) verarbeitet, b) die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) zeitliche Änderungen (M') der Messwerte (M) detektiert, c) die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) mit einem Auswertungsmittel (62) die zeitlichen Änderungen (M') der Messwerte erfasst und wobei d) bei einer Abweichung (Δ) der zeitlichen Änderungen der Messwerte (M') von einem vordefinierten Kriterium ein Signal (S) über eine mindestens teilweise Blockade (H) des mindestens einen Zulaufkanals (52) abgebeben wird. d) bei einer vordefinierten Abweichung (Δ) zwischen zeitlichen Änderungen der Messwerte (M') und den vorgespeicherten Basisdaten (D) ein Signal (S) über eine mindestens teilweise Blockade (H) des mindestens einen Zulaufkanals (52) abgegeben wird.
Messverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich zeitlicher Änderungen (M') der Messwerte mit vorgespeicherten Basisdaten (D) anhand von gleichen und / oder anhand einer anderen Eigenschaft des Fluides, insbesondere des Gases (G), erfolgt.
Messverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft des Fluides, insbesondere des Gases (G), eine Temperatur, ein Druck oder eine Zusammensetzung ist.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messwerten (M) eine zeitliche Änderung (M') der Messwerte, insbesondere numerisch eine erste Ableitung der erfassten Messwerte, (M) bestimmt wird.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespeicherten Basisdaten (D) in der Datenverarbeitungsvorrichtung (60) den zeitlichen Verlauf und / oder eine erste Ableitung des zeitlichen Verlaufes von Messwerten (M, M') im nominellen Betrieb ohne Blockade (H) umfassen.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das vordefinierte Kriterium eine Temperatur (T) und / oder ein Zeitintervall (Δt) ist, wobei diese insbesondere in den Basisdaten (D) als Tabelle, Kennfeld und / oder funktionaler Zusammenhang gespeichert sind.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (M) und / oder zeitlichen Änderungen der Messwerte (M'), insbesondere die Ableitungen, in einer Abhängigkeit von einem Schubkommando (K, K') des Gasturbinentriebwerks (10) bestimmt werden.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierte Abweichung (Δ) zwischen zeitlichen Änderungen der Messwerte (M') und den vorgespeicherten Basisdaten (D) einen Schwellenwert (T) für die erste Ableitung der Messwerte (M') oder eine zeitliche Änderung der gemessenen Eigenschaft des Fluides, insbesondere des Gases (G), umfasst.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (S) zur Abschaltung oder Änderung eines Betriebszustandes der Gasturbinenvorrichtung (10) verwendet wird.