DE1628407B2

DE1628407B2 - Einstellvorrichtung für ver stellbare Verdichter oder Turbinen leitschaufeln

Info

Publication number: DE1628407B2
Application number: DE19661628407
Authority: DE
Inventors: Louis Andrew Granby Conn. Urban (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-09-26
Filing date: 1966-09-26
Publication date: 1973-09-13
Also published as: DE1628407A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einstellvorrichtung für verstellbare Verdichter- oder Turbinenleitschaufeln, insbesondere bei einem Turbinenstrahltriebwerk, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Stellsignals zum Verstellen der Leitschaufeln als Funktion des statischen Druckes und des Gesamtdruckes.

Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der die Kompressordrehzahl als Parameter für die Bestimmung des Stellsignals dient. Dabei hat sich herausgestellt, daß eine solche Vorrichtung mit der Drehzahl als Regelparameter verhältnismäßig ungenau arbeitet, da sie Veränderungen der Luftströmung bei Verschmutzung des Verdichters, bei dem Flug in verschiedenen Höhen

ίο oder bei den Strömungsunterschieden zwischen verschiedenen Betriebsweisen nicht berücksichtigt. Außerdem ist diese bekannte Regelvorrichtung sehr kompliziert und daher störanfällig im Betrieb.

Es ist ferner bereits eine Regelvorrichtung bekannt, bei der in Abhängigkeit von Druck und Volumen geregelt wird. Dabei wird jedoch kein Stellsignal mit einem fstwertsignal zur Erzeugung eines Fehlersignals verglichen, da auf eine konstante Strömung geregelt wird. Sobald die Strömung von einem gewünschten Wert abweicht, werden die Schaufeln verstellt, damit die Strömung wieder den Sollwert annimmt. Es handelt sich hierbei also um eine unmittelbare Regelung der Strömung mit Hilfe von Leitschaufeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche genau arbeitet, schnell anspricht und verhältnismäßig unkompliziert aufgebaut ist.

Dies wird dadurch erreicht, daß das Stellsignal für den Leitschaufeleinstellwinkel aus dem Verhältnis der Differenz des Gesamtdruckes und dem statischen Druck zu dem Gesamtdruck oder dem statischen Druck der Luftströmung am Eingang des Leitapparates gebildet ist.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

F i g. 1 ist eine schematische Ansicht der Anordnung einer Einstellvorrichtung nach der Erfindung bei einem Turbinenstrahltriebwerk;

F i g. 2 ist ein Leitungsschema einer bevorzugten Ausführungsform einer Einstellvorrichtung nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine teilweise gebrochene Seitenansicht eines Turbinenstrahltriebwerks 10 mit am Umfang in Abständen angeordneten Leitschaufeln 12, von denen nur eine dargestellt ist, mit einem Stellglied 14 und einer Einstellvorrichtung 16. Der am Eintritt der Leitschaufeln 12 mit einem statischen Druckfühler 18 gemessene statische Druck gelangt über eine Leitung 20 und der am Eintritt der Leitschaufeln von dem Gesamtdruckfühler 22 gemessene Gesamtdruck über eine Leitung 24 an die Einstellvorrichtung 16. Bei einer Einstellvorrichtung, in der die Luftströmung auf der Grundlage der absoluten Machstrichzahl bestimmt wird, wurden der statische Druck und der Gesamtdruck hinter dem Leitapparat gemessen werden. Um einen den tatsächlichen Bedingungen besser entsprechenden Wert des Druckgradienten rundum am Verdichtereinlaß zu gewinnen, können Druckmeßgitter verwendet werden.

Die dem Triebwerk zuströmende Luft gelangt zuerst durch den Einlaß 26 zum Leitapparat 12, der sie auf die Laufschaufeln des Verdichters richtet. Durch Verstellung des Anstellwinkels der Leitschaufeln bezüglich der einströmenden Luft werden Richtung und Geschwindigkeit dieser Luft hinter dem Leitapparat so geregelt, daß bei sich änderndem Betriebsverhalten des Triebwerks der Anströmwinkel der Luft bezüglich der

3 4

Verdichterlaufschaufeln stets bei seinem Optimalwert dem Verhältnis der Differenz zwischen statischem

oder in dessen unmittelbarer Nähe verbleibt. Druck und Gesamtdruck zu statischem Druck.

Die in F i g. 2 gezeigte Steueranlage 16 enthält ein Um die Beziehung
berechnendes Schieberventil 28 und ein Servoventil 30,

die gemeinsam die jeweilige Lage des Stellgliedes 14 5 Pt — P_s
bestimmen, um den Anstellwinkel der Leitschaufeln in ~ ~
Abhängigkeit von dem Gewicht der durch das Trieb- ⁵
werk strömenden Luft zu verändern und damit Anströmwinkel auf die Laufschaufeln auf einen Optimal- zu berechnen, nimmt die Öffnungsfläche des Ventils 60 wert zu bringen. io einen Wert an, der dem stromauf von der Leitschaufel

Die nachfolgend beschriebene hydraulische Schal- 12 gemessenen statischen Druck proportional ist. tung dient zur Bestimmung eines Flächenverhältnisses, Obwohl zur Verstellung des Ventils proportional zu dessen Wert dem Verhältnis der Differenz zwischen dem gemessenen Druck an sich jedes beliebige Bedem gemessenen Gesamtdruck und dem statischen tätigungsorgan 66 verwendet werden kann, ist dies Druck zu dem gemessenen statischen Druck äquivalent 15 beim gezeigten Ausführungsbeispiel ein innerhalb der ist und damit zur Bestimmung der erforderlichen Kammer 67 gehalterter, evakuierter Faltenbalg 68. Schaufelstellung. Ein über das Servoventil 30 beauf- Der von dem Druckfühler 18 gemessene statische schlagter Kolben 32 entspricht in seiner Stellung dem Druck wird über Leitungen 20 und 70 in die Kamaugenblicklichen Schaufelwinkel und stellt über eine mer 67 geführt, wo er auf den Faltenbalg 68 einwirkt, Rückführungsverbindung zur hydraulischen Schaltung 20 innerhalb dessen eine Feder 71 angeordnet ist. Die sicher, daß der »Soll«-Schaufelwinkel mit dem »Ist«- von dem statischen Druck abhängige Lage des Falten-Schaufelwinkel übereinstimmt. balges 68 wird mittels eines Verbindungsgliedes 74 auf

Die Wirkungsweise der hydraulischen Ausgleichs- das Ventil 60 übertragen, um dort eine vom statischen schaltung läßt sich am besten erkennen, wenn man die Druck abhängige Öffnungsfläche zu schaffen.,
den Kammern 36 und 38 im Schieberventil 28 züge- 25 Das Ventil 62 wird zur Einnahme einer Stellung führten Drücke sowie die diese Drücke beeinflussenden veranlaßt, bei der seine Öffnungsfläche einer Funktion veränderbaren und nicht verstellbaren Öffnungen be- der Differenz zwischen Gesamtdruck und statischem trachtet. Das in einem Behälter 40 befindliche hydrau- Druck entspricht; diesem Zweck kann ein beliebiges lische Strömungsmittel wird über eine Pumpe 42 an- Betätigungsorgan 76 dienen. Das Betätigungsglied 76 gesaugt und unter Druck über eine Leitung 48 in 30 enthält eine Membran 78, auf deren einer Seite die Leitungen 44 und 46 eingepumpt. Die der Kammer 36 Kraft einer Feder 79 sowie der über Leitungen 20 und zuströmende Flüssigkeit nimmt ihren Weg zuerst 80 zugeführte statische Druck einwirkt und deren durch eine nicht verstellbare Drossel 50, der ein Ab- andere Seite dem über Leitungen 24 und 82 zugeführzweig nachgeschaltet ist, über den ein Teil der Flüssig- ten Gesamtdruck ausgesetzt ist. Die Lage der Memkeit beim Durchfluß durch eine Öffnung 52 dosiert 35 bran 78 ist demnach der Differenz zwischen dem wird, die mittels einer Steuerkante 54 (veränderliche Gesamtdruck und dem statischen Druck proportional, Drossel) auf dem Schieber 56 des Ventils 28 verstell- so daß das über eine Leitung 84 angeschlossene Venbar ist. Die von der Steuerkante 54 hindurchgelassene til 62 eine Stellung einnimmt, die der Differenz zwi-Flüssigkeit gelangt über Leitungen 58 und 61 in den sehen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck Vorratsbehälter zurück. Der Druck innerhalb der 4° proportional ist. Das Verhältnis dieser veränderlichen Kammer 36, die sich zwischen den in Reihe liegenden Öffnungsflächen, nämlich der jeweiligen öffnungen Drosselöffnungen befindet, wird somit von dem Flä- der Ventile 60 und 62 entspricht einem Wert, der für chenverhältnis zwischen der nicht verstellbaren Dros- das Verhältnis der Differenz zwischen Gesamtdruck sei 50 und der dazu in Reihe geschalteten verstellbaren und statischem Druck zu statischem Druck kenn-Drossel 54 gesteuert. 45 zeichnend ist.

In der Kammer 38 herrscht der Druck, der an einer Dieses Verhältnis läßt sich auch unter Betrachtung Stelle zwischen zwei verstellbaren Ventilen oder der mathematischen Beziehung zwischen dem ZuDrosseln 60 und 62 über eine Leitung 64 aufgenommen sammenwirken der nicht verstellbaren Drossel 50, der wird. Wie weiter unten erklärt, werden die öffnungs- verstellbaren Drossel 54 und den verstellbaren Venflächen bzw. -querschnitte der Ventile 62 und 60 pro- 5° tilen 60 und 62 erkennen. Nachfolgend entsprechen portional der Differenz zwischen dem Gesamtdruck die Zahlenindizes den mit entsprechenden Bezugsund dem statischen Druck (P_t — P_s) bzw. proportional zeichen versehenen Ventilen und/oder Drosseln. Buchdem statischen Druck (P_s) gesteuert, so daß zwischen stäbe A bedeutet Fläche und Buchstabe P bedeutet den beiden Drosseln ein (öffnungs-)Flächenverhältnis Druck.

entsteht, dessen Wert dem Verhältnis der Differenz 55 Unter Berücksichtigung hydraulischer Grundbegriffe

zwischen Gesamtdruck und statischem Druck zu läßt sich der Druck der durch die Leitung 46 strömen-

statischem Druck proportional ist. Der Druck inner- den Flüssigkeit wie folgt ausdrücken:
halb der Kammer 38 wird demnach den Schieber 56

des Ventils 28 so lange in Bewegung halten, bis das P₆₄ — p_el

(öffnungs-)Flächenverhältnis von Drossel 50 und Dros- ⁶° ~ ~· ( )

seikante 54 in der Kammer 36 einen Druck entstehen ⁴⁰ ~ ⁰¹

läßt, dessen Kraft gleich und entgegengesetzt der von ^ „, , ^, . , _/1S . ...

dem Druck in der Kammer 38 ernten Kraft ist. ^{Der Wert der} Gleichung (1) entspricht:
Um die Bewegung des Schiebers 56 des Ventils 28

anzuhalten, muß folglich das (öffnungs-)Flächenver- 65 1 ,«\

hältnis der Drosseln 50 und 54 gleich dem (öffnungs-) T^ ~'

Flächenverhältnis der Drosseln 60 und 62 sein, und 1 +
deshalb ist die Stellung des Schiebers 56 proportional

In gleicher Weise läßt sich der Druck der durch die Leitung 44 strömenden Flüssigkeit folgendermaßen ausdrücken:

- ρ

58

(3)

Da P₅₈ in P₆₁ übergeht, sind beide Drücke gleich. Da P₄₆ und P₄₄ von der gemeinsamen Quelle P₄₈ be- ίο aufschlagt werden, sind ebenfalls beide Drücke gleich. Die Gleichung (3) kann somit umgeformt werden zu

(4)

Der Schieber 56 befindet sich im Gleichgewichtszustand, wenn ^ao

P36 — P38

Aus den obenstehenden Beziehungen folgt:

1 ₌ 1

1 + i-^e?-V 1 + (^-

(5)

(6)

Da A₆₂ gleich Pt — P_s ist und A₆₀ gleich P₅ ist, ergibt sich

Pt — Ps Aq2 a$

ΛθΛ J\ C

(7)

35

so daß /I₅₄ sich auf einem Wert befindet, bei dem das Gleichgewicht aufrechterhalten wird.

Aus vorstehender Betrachtung ergibt sich, daß die Stellung des Schiebers 56 von dem Verhältnis der Differenz zwischen Gesamtdruck und statischem Druck zu statischem Druck abhängig ist. Die Öffnung 90 wird dann in der Weise ausgebildet, daß sie dem im voraus festgelegten Schaufelwinkel für einen gegebenen Wert des Verhältnisses der Differenz zwischen Gesamtdruck und statischem Druck zu statischem Druck entspricht. Die mit der Öffnung 90 zusammenwirkende Steuerkante 92 definiert deshalb eine Öffnungsfläche, die von dem erwünschten Anstellwinkel der Leitschaufeln abhängig ist. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, gibt die Steuerkante 92 Flüssigkeit aus der Öffnung 90 zur Leitung 96 und möglicherweise zum Ventil 98 frei, dessen Stellung mit Hilfe einer schematisch in F i g. 1 angedeuteten mechanischen Verbindung 100 zur Schaufelstellstange 34 dem tatsächlichen Schaufelwinkel entspricht.

Ähnlich wie zuvor beschrieben, entsteht durch die von der Steuerkante 92 bezüglich der Öffnung 90 sowie durch das Ventil 98 festgelegten Öffnungsflächen jeweils ein Flächenverhältnis zur Steuerung des Drukkes der Hydraulikflüssigkeit in einer Leitung 101, die mit der Kammer 102 im Servoventil 30 in Verbindung steht. Eine Steuerkante 104 des Schiebers 106 bestimmt an einer Zulauföffnung 108 einen Öffnungsquerschnitt, der bezüglich einer Drossel 110 mit feststehendem Querschnitt in Reihe geschaltet ist. Ist das durch Steuerkante 104 und Drossel 110 entstehende (öffnungs-)Flächenverhältnis gleich dem durch Ventil 98 und durch Steuerkante 92 bestimmten Flächenverhältnis, so befindet sich der Schieberkörper 106 im Gleichgewicht bzw. in einer Null-Stellung. Bei diesem Verhältnis baut sich in der Leitung 112 ein Druck auf, der über das Servoventil 30, über die Öffnung 108, Steuerkante 104, Leitung 114 und Abflußleitung 116 der Strömung beschränkt ist. Der zwischen beiden miteinander in Reihe geschalteten Drosseln 110, 108 bestehende Druck wirkt in einer Kammer 118 auf das rechte Ende des Schieberkörpers 106. Wenn der Druck in der Kammer 118 demjenigen in der Kammer 102 entspricht, sind die (öffnungs-)Flächenverhältnisse zwischen den Drosselstellen 92 und 98 sowie 110 und 104 gleich, und der Schieberkörper 106 des Servoventils 30 befindet sich im Gleichgewichtszustand.

Unterscheidet sich der berechnete Schaufelanstellwinkel von dem tatsächlichen Schaufelanstellwinkel, so wird ein Fehler festgestellt, der eine Änderung des Druckes in der Kammer 102 veranlaßt. Dadurch würde der Schieber 106 entweder nach rechts oder links bewegt, um eine bestimmte Menge unter hohem Druck stehende Flüssigkeit aus den Leitungen 48 und 120 je nach Richtung des Fehlersignals entweder der Leitung 122 oder der Leitung 124 zuzumessen. Wird der linken Seite des Kolbens 32 unter hohem Druck stehende Flüssigkeit zugeführt, so steht die rechte Seite des Kolbens 32 über die Leitung 124, Servoventil 30 und Leitung 126 mit dem Abfluß in Verbindung. Wird umgekehrt Flüssigkeit in die Leitung 124 eingedrückt, so erhält die Leitung 122 über Servoventil 30, Leitungen 128, 126 und 61 Verbindung mit dem Abfluß. Da sich über eine unmittelbare Verbindung jede veränderte Lage des Kolbens 32 dem Ventil 98 mitteilt, wird dieses Ventil verstellt und erzeugt ein neues Öffnungsflächenverhältnis, während der Schieber 106 die Öffnungsfläche 108 so lange verändert, bis das auf dieser Seite des Schiebers wirkende Flächenverhältnis demjenigen auf der anderen Seite entspricht und sich der Schieber im Gleichgewicht befindet.

Jeder Fehler oder Fehlabgleich zwischen der tatsächlichen und der erforderlichen Schaufelstellung bewirkt eine Bewegung des Schiebers 106 des Servoventils 30, die andauert, bis das Öffnungsflächenverhältnis auf der rechten Seite demjenigen auf der linken Seite des Servoventils entspricht, womit sich ergibt, daß die Stellung des Schiebers 106 dem Schaufelwinkelfehler proportional ist. Falls ein Fehler vorhanden ist, bewirkt dieser eine entsprechende Strömung aus dem Servoventil 30 in die bzw. aus den Kammern 123 und 125 des Leitschaufel-Stellgliedes 14, dessen Kolben 32 sich so lange bewegt, bis er die dem tatsächlichen Schaufelwinkel entsprechende Öffnungsgröße am Ventil 98 ausreichend verändert hat, um den Fehler zu beseitigen und den Schieber 104 in die Nullstellung zurückzubringen, bei der sich die Leitungen mit den Steuernuten am Ventil 30 decken und der Kolben 32 in seiner Bewegung anhält. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Leitschaufel auf dem genau berechneten Winkelwert. Der bei 111 schematisch gezeigte Block dient zur Kennzeichnung eines beliebigen Druckregelventils, das je nach Anwendungsgebiet entsprechend gewählt wird. Durch diese Anwendung eines Gerätes zum Konstanthalten des Druckes leitet sich jedoch keine Beschränkung der Erfindung ab.

Aus vorangehender Beschreibung geht hervor, daß der Anstellwinkel der Leitschaufeln in Abhängigkeit von der Menge der in den Verdichter eintretenden Luft bestimmt wird. Das zur Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels beschriebene Gerät zur Bestimmung des Gewichtes kann durch beliebige andere Meßfühler ersetzt sein, mit denen sich das Gewicht der einströmenden Luft messen läßt. Ferner liegt es nahe, die Erfindung nicht nur zur Steuerung des Anstellwinkels von Leitschaufeln eines Verdichters, to sondern auch zur Steuerung der Düsenstellung einer Turbine zu verwenden.

Im Vergleich mit bekannten, dem gleichen Zweck dienenden Steuereinrichtungen werden erfindungsgemäß ein wesentlich vereinfachter Aufbau und gleichzeitig eine erhöhte Genauigkeit erreicht. Es hat sich herausgestellt, daß das erforderliche Umsetzungsmaß für die Schaufelwinkelverstellung auf Grund der Verwendung des Verhältnisses zwischen der Differenz von Gesamtdruck und statischem Druck zu statischem Druck als Bestimmungsgröße nur etwa ein Fünftel dessen beträgt, was bei Verwendung der korrigierten Drehzahl als Bestimmungsgröße erforderlich ist. Ein Fehler von einem Prozent in der Messung bzw. Berechnung der korrigierten Drehzahl führt deshalb zu einem etwa fünfmal größeren Fehler des Schaufelwinkels, als wenn der gleiche Fehler von einem Prozent der Berechnung des neuen Schaufelwinkels unter Bezugnahme auf das Gewicht der einströmenden Luft bzw. die Beziehung

Pt -Ps

zugrunde liegt. Mit der Erfindung werden unter anderem folgende Vorteile erreicht:

1. Verbessertes Übergangsverhalten, da die Luftströmung gemessen und nicht berechnet wird.

2. Verbesserter Schutz des Verdichters gegenüber Strömungsablösungserscheinungen, da die erfindungsgemäße Steueranlage automatisch bei zu steilen Schaufelanstellwinkeln anspricht, und die Leitschaufeln sehr schnell in Kompensationsrichtung verstellt.

3. Ein auf der korrigierten Drehzahl beruhendes Verstellschema berücksichtigt nicht die Änderungen der Luftströmung bei Verschmutzung des Verdichters, oder auf Grund von Höhenwirkungen bzw. Höheneinflüssen der Reynoldsschen Zahl oder auf Grund von Luftströmungsunterschieden zwischen Dauerbetrieb und Beschleunigung oder Verzögerung. Die erfindungsgemäße Steueranlage berücksichtigt all diese Änderungen und verstellt die Leitschaufelwinkel in der Weise, daß der Anströmwinkel der Laufschaufeln einen Optimalwert erreicht und der Wirkungsgrad des Verdichters verbessert wird.

4. Da eine Drehzahl- oder Temperaturmessung nicht erforderlich ist, kann die Steueranlage getrennt von dem Brennstoffregler angeordnet werken, womit sich ein einfacherer Einbau ergibt. Dieser Gesichtspunkt ist wesentlich bei verkleideten oder in Leitkanälen untergebrachten Triebwerden, wo die Zahl der Verbindungsleitungen verringert und die Rückführung vereinfacht werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 309 537/178

Claims

Patentansprüche:

1. Einstellvorrichtung für verstellbare Verdichteroder Turbinenleitschaufeln, insbesondere bei einem Turbinenstrahltriebwerk, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Stellsignals zum Verstellen der Leitschaufeln als Funktion des statischen Druckes und des Gesamtdruckes, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal für den Leitschaufeleinstellwinkel aus dem Verhältnis der Differenz des Gesamtdruckes (Pt) und dem statischen Druck (Ps) zu dem Gesamtdruck (Pt) oder dem statischen Druck (Ps) der Luftströmung am Eingang des Leitapparates gebildet ist.

2. Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung des Stellsignals ein in einer Druckleitung (94, 96) liegendes Ventil (28) mit einem Schieber (56) umfaßt, wobei der Schieber (56) zur Erzeugung des Stellsignals in der Leitung (96) eine mit der Leitung (94) zusammenwirkende Steuerkante (92) in Abhängigkeit des Parameters zur Bestimmung des Stellsignals einstellbar ist.

3. Einstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zu der Druckleitung (94, 96) parallelgeschalteten Druckleitung (46) ein Ventil (60), welches in Abhängigkeit des Gesamtdruckes oder des statischen Druckes einstellbar ist, und ein Ventil (62) liegt, welches in Abhängigkeit der Differenz des Gesamtdruckes und des statischen Druckes einstellbar ist, und daß der Druck zwischen den beiden Ventilen (60, 62) über eine Leitung (64) mit einer Seite des Schiebers (56) in Verbindung steht.

4. Einstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (56) eine zweite Steuerkante (54) aufweist, die in einer zu den Druckleitungen (94, 56) und (46) parallelen Druckleitung (44, 58) liegt, daß in der Leitung (44) stromaufwärts des Schiebers (56) eine feste Verengung (50) angeordnet ist und die Leitung (44) stromabwärts der Verengung (50) über eine Leitung (43) mit der anderen Seite des Schiebers (56) in Verbindung ist.

5. Einstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Druckleitungen (46, 94, 96, 44, 58) an eine gemeinsame Druckmittelzuführleitung (48) und eine gemeinsame Druckmittelabführleitung(61) angeschlossen sind.

6. Einstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (96) ein Ventil (98) liegt, welches in Abhängigkeit des tatsächlichen Einstellwinkels zur Erzeugung des Stellsignals eingestellt ist, und daß die Leitung (96) zwischen dem Schieber (56) und dem Ventil (98) mit der Einrichtung zum Betätigen des Servomotors (Schieberventil 30) verbunden ist.