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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und mehr im Einzelnen
ein System zur Detektion eines Strömungsabrisses in einem
darin enthaltenen Verdichtersystem, wie etwa einem Bläser.
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Bei
einem Turbofan-Flugzeuggasturbinentriebwerk wird Luft im Betrieb
in einem Verdichtersystem verdichtet, das ein Bläsermodul,
ein Boostermodul und ein Verdichtermodul aufweist. Bei großen Turbofantriebwerken
wird die durch das Bläsermodul durchgehende Luft größten
Teils in einen Nebenstrom geleitet und zur Erzeugung des Großteils
des zum Antrieb des Flugzeugs im Flug erforderlichen Schubs verwendet.
Die durch das Boostermodul und das Verdichtermodul durchgeleitete
Luft wird in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt und gezündet,
wodurch heiße Verbrennungsgase erzeugt werden, die Turbinenstufen
durchströmen, welche daraus Energie zum Antrieb der Bläser-,
Booster- und Verdichterrotoren entziehen. Das Bläser-,
Booster- und Verdichtermodul haben jeweils eine Reihe Rotor- und
Statorstufen. Der Bläser- und der Boosterrotor werden jeweils
typischerweise durch eine Niederdruckturbine angetrieben, während
der Verdichterrotor durch eine Hochdruckturbine angetrieben ist.
Der Bläser- und der Boosterrotor sind mit dem Verdichterrotor
aerodynamisch gekoppelt, wenngleich sie normalerweise mit unterschiedlichen
mechanischen Drehzahlen arbeiten.
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Die
Möglichkeit des Betriebs innerhalb eines großen
Bereichs von Betriebsbedingungen ist eine grundsätzliche
Anforderung bei der Auslegung von Verdichtersystemen, wie Bläsern,
Boostern und Verdichtern. Moderne Entwicklungen bei hochentwickelten
Flugzeugen erforderten den Einsatz von Triebwerken, die tief in
dem Flugwerk angeordnet sind, wobei Luft in die Triebwerke durch
Einlässe einströmt, die jeweils eine spezielle
Geometrie aufweisen, welche beträchtliche Störungen
in dem Einlassluftstrom erzeugt. Einige dieser Triebwerke haben außerdem
eine Abgasdüse mit unveränderlicher Auftrittsfläche,
was die Einsatzmöglichkeit dieser Triebwerke beschränkt.
Wesentlich bei der Konstruktion dieser Verdichtersysteme ist der
Wirkungsgrad beim Verdichten der Luft mit ausreichendem Strömungsabrissgrenzbereich
während der gesamten betriebsmäßigen
Flugbewegungen, vom Starten über Reiseflug und Landen.
Der Verdichterwirkungsrad und der Strömungsabrissgrenzbereich
sind aber normalerweise gegenläufig miteinander verbunden,
wobei ein zunehmender Wirkungsgrad typischerweise einer Verkleinerung
des Strömungsabrissgrenzbereichs entspricht. Die miteinander
im Widerspruch stehenden Anforderungen hinsichtlich des Strömungsabrissgrenzbereichs
und des Wirkungsgrads stellen besonders hohe Anforderungen bei Hochleistungsjettriebwerken,
die unter erschwerten Betriebsbedingungen, wie starken Einlassstörungen,
Düsen mit fester Querschnittsfläche und erhöhter
Leistungsabzapfung für Hilfsantriebe arbeiten, wobei aber
während des ganzen Flugbetriebs ein hohes Niveau des Stabilitätsgrenzbereichs
erforderlich ist.
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Strömungsabrisse
(Stalls) werden normalerweise durch Strömungsablösungen
an der Spitze der Rotorschaufeln von Verdichtersystemen, wie im
Bläsern, Verdichtern und Boostern er zeugt. Bei den Rotoren
von Gasturbinenverdichtersystemen besteht jeweils ein Spaltabstand
zwischen den umlaufenden Schaufelnspitzen und einem stationären
Gehäuse oder Mantel der die Schaufelspitzen umgibt. Während
des Betriebs der Maschine leckt Luft von der Druckseite einer jeweiligen
Schaufel durch den Spitzen-Abstand auf die Saugseite. Diese Leckströmungen
haben zur Folge, dass sich in dem Spitzenbereich der jeweiligen
Schaufel Wirbel ausbilden. Ein Spitzenwirbel kann anwachsen und
sich ausbreiten, wenn schwerwiegende Einlassstörungen in
der in das Verdichtersystem einströmenden Luft vorhanden sind
oder wenn das Triebewerk gedrosselt wird und führen zu
einem Verdichter-Strömungsabriss und rufen erhebliche Betriebsstörungen
sowie Leistungsverluste hervor.
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Demgemäß besteht
der Wunsch, die Möglichkeit zu haben dynamische Prozesse,
wie Strömungsinstabilitäten in einem Gebläse
messen und kontrollieren zu können. Es besteht der Wunsch über ein
System zu verfügen, das einen Maschinenparameter, der zu
dem Einsetzen von Strömungsinstabilitäten in Bezug
steht, wie etwa den dynamischen Druck nahe den Schaufelspitzen messen
und die gemessenen Daten verarbeiten kann, um einen Strömungsabrissbeginn
in einer Stufe eines Verdichtersystems, wie eines mehrstufigen Bläsers
vorhersagen zu können. Außerdem wäre
es erwünscht über ein System zu verfügen,
das Strömungsabrisse von Verdichtersystemen auf der Grundlage
von Ausgangsgrößen des Messsystems bei bestimmten Flugmanövern
an kritischen Stellen in dem Flugbetrieb vermindern kann und es
damit ermöglicht, die Flugmanöver ohne Strömungsabriss
oder Pumpen („surge”) abschließen zu
können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
im vorstehenden erwähnten Anforderungen oder Bedürfnisse
können durch beispielhafte Ausführungsformen erfüllt
werden, die ein System zur Erfassung des Beginns eines Strömungsabrisses in
einem Rotor schaffen, wobei das System aufweist: Einen Sensor, der
auf einer feststehenden Komponente angeordnet ist, die radial außerhalb
und getrennt von Spitzen einer Reihe von ringsum den Rotor angeordneten
Schaufeln angeordnet ist, wobei der Sensor ein Eingangssignal erzeugen
kann, das einem Strömungsparameter an einem Ort nahe der Spitze
einer Schaufel entspricht, ein Steuersystem durch das ein Rotordrehzahlsignal
erzeugbar ist und einen Korrelationsprozessor der das Eingangssignal und
das Rotordrehzahlsignal empfangen kann, wobei der Korrelationsprozessor
ein Stabilitätskorrelationssignal erzeugt. Bei einer anderen
Ausführungsform weist ein System zum Erfassen des Beginns
eines Störmungsabrisses in einem mehrstufigen Bläserrotor
einen Drucksensor auf, der auf einem Spitzen einer Reihe von Bläserschaufeln
umgebenden Gehäuse angeordnet ist, wobei der Drucksensor
ein Eingangssignal erzeugen kann, das dem dynamischen Druck an einem
Ort nahe der Bläserschaufelspitze entspricht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Der
als Erfindung betrachtete Gegenstand ist in dem anschließenden
Teil der Beschreibung im Einzelnen erläutert und gesondert
beansprucht. Die Erfindung ist jedoch am besten unter Bezugnahme auf
die anschließende Beschreibung im Zusammenhang mit den
beigefügten Zeichnungsfiguren zu verstehen, bei denen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Gasturbinentriebwerks mit
einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht eines Teils des Bläserabschnitts
des in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerks ist;
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3 ein
beispielhaftes Betriebsdiagramm eines Verdichtersystems in dem in 1 dargestellten
Gasturbinentriebwerk ist;
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4a die
Ausbildung eines Bereichs mit Schaufelspitzenwirbeln in einer Bläserstufe
zeigt;
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4b die
Ausbreitung des in 4a dargestellten Schaufelspitzenwirbels
veranschaulicht;
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4c die
Wirbelströmung in einem Schaufelspitzenbereich während
eines Strömungsabrisses veranschaulicht;
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5a eine schematische Schnittansicht des
Spitzenbereichs einer Schaufel mit einer beispielhaften Ausführungsform
einen Strömungsabrisserfassungssystems ist;
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6 eine
schematische skizzenhafte Darstellung einer beispielhaften Anordnung
mehrerer Sensoren bei einem Strömungsabrisserfassungssystem
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bezug
nehmend auf die Zeichnung in der gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen
Ansichten jeweils die gleichen Elemente bezeichnen, veranschaulicht 1 ein
beispielhaftes Turbofangasturbinentriebwerk 10, das eine
beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
beinhaltet. Es weist eine Triebwerksmittelachse 8, einen
Bläserabschnitt 12, der Umgebungsluft 14 aufnimmt,
einen Hochdruckverdichter (HPC) 18, eine Brennkammer 20,
die Brennstoff mit der von dem HPC 18 verdichteten Luft
zur Erzeugung von Verbrennungsgasen oder einer Gasströmung,
die strömungsabwärts durch eine Hochdruckturbine
(HPT) 22 strömt vermischt und eine Niederdruckturbine
(LPT) 24 auf, von der aus die Verbrennungsgase aus dem
Triebwerk 10 ausgestoßen werden. Viele Triebwerke
haben einen Booster oder einen (in 1 nicht
dargestellten) Niederdruckverdichter, der zwischen dem Bläserabschnitt
und dem HPC angeordnet ist. Ein Teil der den Bläserabschnitt 12 durchströmenden
Luft wird um den Hochdruckverdichter 18 herum durch einen
Bypasskanal 21 abgezweigt, der einen Eingang oder Splitter 23 zwischen
dem Bläserabschnitt 10 und dem Hochdruckverdichter 18 aufweist.
Der HPT 22 ist an dem HPC 18 so angeschlossen,
dass er im Wesentlichen einen Hochdruckrotor 29 ausbildet.
Eine Niederdruckwelle 28 verbindet den LPT 24 mit
dem Bläserabschnitt 12 und, falls verwendet, dem
Booster. Die zweite oder Niederdruckwelle 28 ist koaxial mit
und radial einwärts von dem ersten oder Hochdruckrotor
drehbar angeordnet. Bei den in den 1, 2 dargestellten
beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
weist der Bläserabschnitt 12 wie bei vielen Gasturbinentriebwerken
einen mehrstufigen Bläserrotor auf, der jeweils durch eine
ers te, zweite und dritte Bläserrotorstufe 12a, 12b bzw. 12c veranschaulicht
ist.
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Der
Bläserabschnitt 12, der die durchströmende
Luft verdichtet ist achssymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse 8.
Der Bläserabschnitt 12 beinhaltet mehrere Einlassleitschaufeln
(IGV) 30 und mehrere Statorschaufeln 31, die in
Umfangsrichtung ringsum die Längsmittelachse 8 herum
angeordnet sind. Die Rotorstufen 12 des mehrstufigen Bläsers des
Bläserabschnitts 12 weisen entsprechende Bläserrotorschaufeln 40a, 40b, 40c auf,
die sich von entsprechenden Rotornaben 39a bzw. 39b bzw. 39c in Gestalt
getrennter Scheiben oder integraler Blisks oder ringförmiger
Trommeln in irgendeiner gebräuchlichen Weise radial nach
außen erstrecken.
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Mit
einer Bläserrotorstufe 12a, 12b, 12c arbeitet
eine jeweils entsprechende Statorstufe zusammen, die eine Anzahl
in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Statorschaufeln 31a, 31b, 31c aufweist.
Die Anordnung der Statorschaufeln und der Rotorschaufeln ist in 2 veranschaulicht.
Die Rotorschaufeln 40 und die Statorschaufeln 31 bilden Schaufelblätter
aus die entsprechende aerodynamische Profile oder Umrissgestaltungen
haben um den Luftstrom in aufeinander folgenden axialen Stufen zu verdichten.
Jede Bläserrotorschaufel 40 verfügt über ein
sich von einem Schaufelfuß 45 radial nach außen zu
einer Schaufelspitze 46 erstreckendes Schaufelblatt 34,
eine Druckseite 43, eine Saugseite 44, eine Vorderkante 41 und
eine Hinterkante 42.
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Das
Schaufelblatt 34 erstreckt sich in Sehnenrichtung zwischen
der Vorderkante 41 und der Hinterkante 42. Eine
Sehne C des Schaufelblatts 34 ist jeweils die Länge
zwischen der Vorderkante 41 und der Hinterkante 42 bei
jedem radialen Querschnitt der Schaufel. Die Druckseite 43 des
Schaufelblatts 34 weist in die allgemeine Drehrichtung
des Bläserrotors während die Saugseite 44 auf
der anderen Seite des Schaufelblatts liegt. Die Rotorschaufeln 40 der
vorderen Stufe laufen in einem ringförmigen Gehäuse 50 um,
das die Rotorschaufelspitzen umgibt. Die Rotorschaufeln der hinteren
Stufe laufen typischerweise in einem ringförmigen Kanal
um, der durch Mantelsegmente 51 gebildet ist, die ringsum die
Schaufelspitzen 46 angeordnet sind. Im Betrieb wird der
Druck der Luft erhöht, während die Luft verlangsamt
wird und durch die Stator- und Rotorschaufelblätter durchtritt.
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Das
Betriebsdiagramm eines beispielhaften Verdichtersystems, wie des
Bläserabschnitts 12, des beispielhaften Gasturbinentriebwerks 10,
ist in 3 mit dem korrigiertem Einlassströmungsdurchsatz längs
der X-Achse und dem Druckverhältnis auf der Y-Achse veranschaulicht.
Betriebskennlinien 114, 116 und die Strömungsabrisskennlinie 112 sind
zusammen mit Kennlinien 122, 124 konstanter Drehzahl
dargestellt. Die Kennlinie 124 stellt eine Kennlinie niedrigerer
Drehzahl dar während die Kennlinie 122 eine Kennlinie
höherer Drehzahl wiedergibt. Wenn das Verdichtersystem
bei einer konstanten Drehzahl gedrosselt wird, etwa bei der Kennlinie 124 konstanter
Drehzahl, nimmt der korrigierte Einlassstromdurchsatz ab, während
sich das Druckverhältnis erhöht und der Betrieb
des Verdichtersystems sich näher an die Strömungsabrisskennlinie 112 heranbewegt.
Jede Betriebsbedingung hat einen entsprechenden Verdichterwirkungsgrad,
der üblicherweise als das Verhältnis der idealen
(isentropischen) zugeführten Verdichterarbeit zu der tatsächlichen
zugeführten Arbeit definiert ist, die erforderlich ist
um ein gegebenes Druckverhältnis zu erzielen. Der Verdichterwirkungsgrad
jeder Betriebsbedingung ist in dem Betriebsdiagramm in Gestalt von
Umrisslinien konstanten Wirkungsgrads, wie den in 3 veranschaulichten
Gebilden 118, 120, dargestellt. Das Betriebsdiagramm
weist einen Bereich höchsten Wirkungsgrads auf, der in 3 als
der kleinste Umriss 120 dargestellt ist, und es wird angestrebt
die Verdichtersysteme so weit wie möglich in dem Bereich des
höchsten Wirkungsgrads zu betreiben. Strömungsstörungen
in dem Einlassluftstrom 14, der in den Bläserabschnitt 12 eintritt
neigen dazu, Strömungsinstabilitäten hervorzuruqfen,
wenn die Luft von Bläserschaufeln (und den Verdichtersystemschaufeln)
verdichtet wird, und die Strömungsabrisskennlinie 112 neigt
dazu tiefer abzufallen. Wie im Nachfolgenden weiter erläutert,
schaffen die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ein System zu Detektion, d. h. zum Erfassen der Strömungsinstabilitäten
in dem Bläserabschnitt 12, wie sie etwa von Strömungsstörungen
herrühren und zur Verarbeitung der Information aus dem
Bläserabschnitt um einen bevorstehenden Strömungsabriss
in einem Bläserrotor vorherzusagen. Die hier dargestellten
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben es
anderen Systemen in dem Triebwerk, die in dem jeweils erforderlichen
Maße darauf ansprechen können, den Strömungsabriss-Grenzbereich
von Bläserrotoren und anderen Verdichtersystem zweckentsprechend
zu handhaben.
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Es
ist bekannt, dass von Einlassströmungsströmungen
herrührende Strömungsabrisse in Bläserrotoren
und Strömungsabrisse in anderen Verdichtersystemen die
gedrosselt werden, durch eine Strömungsablösung
in dem Spitzenbereich 52 von Rotoren, etwa den 2 dargestellten
Bläserrotoren 12a, 12b, 12c hervorgerufen
werden. Diese Strömungsablösung an der Spitze
ist begleitet von einer Spitzenleckagewirbelbildung, die in den 4a, 4b und 4c auf
der Grundlage von berechneten Fluiddynamikanalysen in Form von Umrissdiagrammen
von Bereichen mit einer negativen Achsialgeschwindigkeit dargestellt
ist. Ein Spitzenleckagewirbel 200 entsteht zunächst
an der Rotorschaufelspitze 46 nahe der Vorderkante 41.
In dem Bereich dieses Wirbels 200 besteht eine Strömung,
die eine negative axiale Geschwindigkeit aufweist, das heißt die
Strömung in diesem Bereich ist dem Hauptströmungskörper
entgegengerichtet und ist in hohem Maße unerwünscht.
Wenn er nicht unterbrochen wird, breitet sich der Spitzenwirbel 200 axial
nach hinten und tangential von der Schaufelsaugseite 44 auf
die anschließende Schaufeldruckseite 43 aus, wie
dies in 4b dargestellt ist. Sobald sie
die Druckseite 43 erreicht, beginnt die Strömung
sich in einem Sperrbereich an der Spitze zwischen den Schaufeln
anzusammeln, wie dies in 4c dargestellt
ist und einen hohen Verlust hervorzurufen. Wenn die Einlassströmungsstörungen
schwerwiegender werden oder wenn ein Verdichtersystem gedrosselt
wird, wird die Blockade in dem Strömungsweg zwischen den
benachbarten Schaufeln zunehmend größer und wird
schließlich so groß, dass das Rotordruckverhältnis
unter seinen Nennwert abfällt und bewirkt, dass der Bläserrotor
einen Strömungsabriss erleidet. Nahe einem Strömungsabriss
ist das Verhalten der Schaufelkanal-Strömungsfeldstruktur, speziell
der Wirbelbahn im Schaufelspitzenfreiraum, rechwinklig zu der Axialrichtung,
wobei der Spitzenfreiraumwirbel 200 die Vorderkanten 41 benachbarter
Schaufeln 40 überspannt, wie dies in 4c dargestellt
ist. Der Wirbel 200 startet von der Vorderkante 41 auf
der Saugseite 44 der Schaufel 40 und bewegt sich
zu der Vorderkante 41 auf der Druckseite der benachbarten
Schaufel 40, wie dies in 4c veranschaulicht
ist.
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Die
Möglichkeit einen dynamischen Prozess, wie eine Strömungsinstabilität
in einem Verdichtungssystem, zu kontrollieren, erfordert eine Messung
einer charakteristischen Größe des Prozesses unter
Benutzung eines kontinuierlichen Messverfahrens oder unter Verwendung
von Samples einer ausreichend großen Zahl diskreter Messwerte.
Um Bläserströmungsabrisse bei bestimmten Flugmanövern an
kritischen Stellen in dem Flugverlauf, bei denen der Stabilitätsgrenzabstand
klein oder negativ ist, zu entschärfen, wird in dem Triebwerk
zunächst ein Strömungsparameter gemessen, der
direkt oder mit geringer zusätzlicher Verarbeitung dazu
verwendet werden kann, das Einsetzten eines Strömungsabrisses
einer Stufe eines mehrstufigen Bläsers, wie er in 2 dargestellt
ist, vorherzusagen.
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2 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems 500 zur
Erfassen des Einsetzens einer aerodynamischen Instabilität, etwa
eines Strömungsabrisses oder Pumpens in einer Verdichterstufe
in einem Gasturbinentriebwerk 10. Bei der in 2 dargestellten
beispielhaften Ausführungsform weist ein dargestellter
Bläserabschnitt 12 einen dreistufigen ersten Rotor 12a, 12b und 12c auf.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können
auch in einem einstufigen Bläser oder in einem anderen
Verdichtungssystem einer Gasturbinenmaschine, etwa einem Hochdruckverdichter 18 oder
einem Niederdruckverdichter oder einem Booster eingesetzt werden.
Bei den hier veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen
wird ein Drucksensor 502 dazu verwendet, den örtlichen
dynamischen Druck nahe dem Spitzenbereich 52 der Bläserschaufelspitzen 46 während
des Triebwerkbetriebs zu messen. Wenngleich ein einziger Sensor 502 für
die Steue rungsparametermessungen verwendet werden kann, so wird
doch der Einsatz von wenigstens zwei Sensoren 502 bevorzugt,
weil bei längeren Triebwerksbetriebszeiträumen
einige Sensoren ausfallen können. Bei einer in 2 dargestellten
Ausführungsform sind mehrere Drucksensoren 502 ringsum
die Spitzen aller drei Bläserrotorstufen 12a, 12b, 12c verwendet.
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Bei
der in 5 dargestellten beispielhaften Ausführungsform
ist der Drucksensor 502 in einem Gehäuse 50 angeordnet,
das radial außerhalb und im Abstand von den Bläserschaufelspitzen 46 angeordnet
ist. Alternativ kann der Drucksensor 502 auf einem Mantelsegment 51 angeordnet
sein, das radial außerhalb der Schaufelspitzen angeordnet
ist. Das Gehäuse 50 oder eine Anzahl Mantelelemente 51 umgibt
die Spitzen einer Reihe Schaufeln 47. Die Drucksensoren 502 sind,
wie in 6 dargestellt, auf dem Gehäuse 50 oder
den Mantelelementen 51 in Umfangsrichtung verteilt angeordnet.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die mehrere Sensoren auf
einer Rotorstufe verwendet, sind die Sensoren 502 an im
Wesentlichen diametral einander gegenüberliegenden Orten
an dem Gehäuse oder dem Mantel angeordnet.
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Während
des Triebwerkbetriebes ist ein wirksamer Abstand 48 zwischen
der Schaufelblattspitze und dem Gehäuse 50 oder
Mantel 51 (5) vorhanden. Der Sensor 502 kann
in Echtzeit ein Eingangssignal 504 erzeugen, das einem
Strömungsparameter, etwa dem dynamischen Druck in dem Schaufelspitzenbereich 52 nahe
der Schaufelspitze 46 entspricht. Es wird ein ausreichend
empfindlicher Wandler mit einem Ansprechvermögen verwendet,
das höher ist als die Schaufelvorbeilauffrequenz. Typischerweise
weisen diese Wandler einen ausnutzbaren Frequenzgang von mehr als
1000 Hz auf. Bei den hier veranschau lichten beispielhaften Ausführungsformen
sind die eingesetzten Sensoren 502 von Kulite Semiconductor
Products hergestellt. Es ist vor zu ziehen ein Hochfrequenzsampling
der dynamischen Druckmesswerte, z. B. etwa zehn mal der Schaufelvorbeilauffrequenz
zu benutzen.
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Die
Strömungsparametermessung von dem Sensor 502 erzeugt
ein Signal, das von einem Korrelationsprozessor 510 als
Eingangssignal 504 verwendet wird. Der Korrelationsprozessor 510 empfängt
als Eingabe auch ein Rotordrehzahlsignal 506, das der Drehzahl
des Bläserrotors 12a, 12b, 12c entspricht,
wie dies in den 1, 2 und 5 dargestellt
ist. Bei den hier veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen
wird das Bläserrotordrehzahlsignal 506 durch ein
gebräuchliches Triebswerksteuersystem 74 übermittelt,
das bei Gasturbinenmaschinen verwendet wird. Alternativ kann das
Bläserrotordrehzahlsignal 506 von einem digitalen
elektronischen Steuersystem oder einem selbstständigen digitalen
elektronischen Steuersystem (FADEC-System = Full Authority Digital
Electronic Control System) geliefert werden, wie es bei einem Flugtriebwerk eingesetzt
ist.
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Der
Korrelationsprozessor 510 empfängt das Eingabesignal 504 von
dem Sensor 502 und das Rotordrehzahlsignal 506 von
dem Steuersystem 74 und erzeugt in Echtzeit ein Stabilitätskorrelationssignal 512 unter
Verwendung gebräuchlicher numerischer Verfahren. Es können
aus der veröffentlichten Literatur entnehmbare Autokorrelationsverfahren
verwendet werden. Bei den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen
verwenden die Algorithmen des Korrelationsprozessors 510 das
vorhandene Drehzahlsignal von der Triebwerkssteuerung zur Zyklussynchronisierung.
Der Korrelationsmesswert wird für in dividuelle Druckwandler
oberhalb von Rotorschaufelspitzen berechnet. Das Autokorrelationssystem bei
den hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen
sampelt ein Signal von einem Drucksensor 502 mit einer
Frequenz von 200 KHz. Dieser verhältnismäßig
hohe Wert der Abtast- oder Samplingfrequenz stellt sicher, dass
die Daten mit einer Rate von wenigstens zehn mal der Schaufelblatt-40-Durchlauffrequenz
abgetastet werden. Ein Fenster von zweiundsiebzig Sampeln wurde
dazu verwendet die Autokorrelation zu berechnen, welche einen Wert
von nahe der Einheit längs der Betriebskennlinie 116 zeigt
und die gegen Null zu abfällt, wenn der Betrieb sich der
Strömungsabriss-/Pumpkennlinie 112 nähert
(vergleiche 3). Bei einer speziellen Bläserstufe 12a, 12b, 12c gilt,
dass wenn sich der Stabilitätsgrenzabstand Null annähert,
die jeweilige Bläserstufe am Rande eines Strömungsabrisses
steht und der Korrelationsmesswert ein Minimum aufweist. Bei Systemen
die dazu ausgelegt sind, einen Strömungsabriss oder ein
Pumpen in einem Verdichtungssystem zu vermeiden, empfängt, wenn
der Korrelationsmesswert unter einen ausgewählten und vorher
eingestellten Grenzwertpegel absinkt, ein Stabilitätsmanagementsystem
das Stabilitätskorrelationssignal 512 und sendet
ein elektrisches Signal zu dem Triebswerkssteuersystem, beispielsweise
einem FADEC-System, das seinerseits, unter Verwendung der vorhandenen
Steuereinrichtungen, eine geeignete Korrekturmaßnahme ergreifen
kann, um das Triebwerk vom Pumpen wegzubringen. Die Verfahren, die
von dem Korrelationsprozessor 510 zur Abschätzung
des aerodynamischen Stabilitätsniveaus bei einer hier dargestellten
beispielhaften Ausführungsform verwendet werden, sind in dem
Artikel „Development and Demonstration of a Stability
Management System for Gas Turbine Engines", Proceedings
of GT2006 ASME Turbo Expo 2006, GT2006-90324 beschrieben.
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5 zeigt
schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die einen Sensor 502 verwendet, der in einem
Gehäuse 50 in der Nähe der Mitte einer
Blattspitzensehne eines Schaufelblattes 40 angeordnet ist.
Der Sensor ist in dem Gehäuse 50 derart angeordnet,
dass er den dynamischen Druck der Luft in dem Freiraum 48 zwischen
einer Bläserschaufelspitze 46 und der inneren Oberfläche 53 des
Gehäuses 50 messen kann. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform ist der Sensor 502 in einer Ringnut 54 in
dem Gehäuse 50 untergebracht. Bei anderen beispielhaften
Ausführungsformen ist es möglich, zum Beispiel
mehrere Ringnuten 54 in dem Gehäuse 50 vorzusehen,
um damit für Stabilität bei Spitzenströmungsmodifikationen
Vorsorge zu treffen. Wenn mehrere Nuten vorhanden sind, ist der
Sensor 502 in einigen dieser Nuten angeordnet, wobei die
gleichen Prinzipien und Beispiele Verwendung finden, wie sie hier
dargelegt sind. Wenngleich der Sensor in 5 so veranschaulicht
ist, dass er in einem Gehäuse 50 angeordnet ist,
so kann bei anderen Ausführungsformen der Drucksensor 502 in
einem Mantel 51 angeordnet sein, der radial außerhalb und
im Abstand von den Schaufelspitzen 46 angeordnet ist. Der
Drucksensor 502 kann auch in einem Gehäuse 50 (oder
Mantel 51) nahe bei der Spitze der Vorderkante 41 oder
der Spitze der Hinterkante 42 der Schaufel 40 angeordnet
sein.
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6 zeigt
schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung von mehreren Sensoren 502 in
einer Bläserstufe, wie etwa dem Element 40a der 2. Die
mehreren Sensoren 502 sind in dem Gehäuse 50 (oder
dem Mantel 51) in einer Umfangsrichtung angeordnet, derart,
dass jeweils Paare von Sensoren 502 einan der im Wesentlichen
diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Der Korrelationsprozessor 510 empfängt
Eingangssignale 504 von diesen Sensorpaaren und verarbeitet
jeweils Signale von den Paaren zusammen. Die Unterschiede in den
gemessenen Daten von diametral einander gegenüberliegenden
Sensoren eines Paares können besonders zweckmäßig
bei der Entwicklung eines Stabilitätskorrelationssignals 512 zum
Erfassen des Beginns eines Bläserströmungsabrisses,
herrührend von Strömungsstörungen im
Triebwerkseinlass sein.
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Die
in der Beschreibung benutzten Ausführungsbeispiele zur
Offenbarung der Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart
dienen auch dazu, einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung
herzustellen und zu benutzen. Der Schutzbereich der Erfindung ist
durch die Patentansprüche definiert und kann auch andere
Ausführungsbeispiele umfassen, die dem Fachmann in den
Sinn kommen. Derartige weitere Ausführungsbeispiele sollen in
dem Schutzbereich der Patentansprüche liegen, wenn sie
Strukturelemente enthalten, die sich von dem Wortlaut der Patentansprüche
nicht unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente
mit unwesentlichen Unterschieden zu dem Wortlaut der Patentansprüche
beinhalten.
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Zusammenfassung:
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Es
ist ein System zur Erfassung des Beginns eines Strömungsabrisses
in einem Rotor geoffenbart, wobei das System aufweist: Einen Sensor,
der auf einer feststehenden Komponente im radialen Abstand außerhalb
und getrennt von Spitzen einer Reihe von in Umfangsrichtung verteilt
auf dem Rotor angeordneter Schaufeln angeordnet ist, wobei durch
den Sensor ein Eingangssignal erzeugbar ist, das einem Strömungsparameter
an einem Ort in der Nähe der Spitze einer Schaufel entspricht,
ein Steuersystem durch das ein Rotordrehzahlsignal erzeugbar ist
und einen Korrelationsprozessor, der das Eingangssignal und das
Rotordrehzahlsignal empfangen kann, wobei der Korrelationsprozessor
ein Stabilitätskorrelationssignal erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Development
and Demonstration of a Stability Management System for Gas Turbine
Engines”, Proceedings of GT2006 ASME Turbo Expo 2006, GT2006-90324 [0027]