DE19901509B4

DE19901509B4 - Verfahren zum Verstellen der Leitschaufeln einer Strömungsarbeitsmaschine

Info

Publication number: DE19901509B4
Application number: DE1999101509
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wenger
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 1999-01-16
Filing date: 1999-01-16
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2019-01-17
Also published as: DE19901509A1

Abstract

Verfahren zum Verstellen der Leitschaufeln einer Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere eines mehrstufigen Axial-Verdichters eines Flugtriebwerkes, entsprechend eines sog. Verstellgesetzes in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl sowie letztlich von den Eintritts-Umgebungsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Belastung in Form von durch wechselnde Spannungen bedingten Schwingungen und Verformungen der den Leitschaufeln nachgeordneten Laufschaufeln mittels Sensoren erfasst wird und das Verstellen der Leitschaufeln zusätzlich in Abhängigkeit von der ermittelten mechanischen Belastung der Laufschaufeln erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstellen der Leitschaufeln einer Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere eines mehrstufigen Axial-Verdichters eines Flugtriebwerkes, entsprechend eines sog. Verstellgesetzes in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl sowie letztlich von den Eintritts-Umgebungsbedingungen.
Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 42 16 033 A1 verwiesen, da hierin eine Leitschaufel-Verstellvorrichtung in einer Flug-Gasturbine beschrieben ist. Die Verstellvorrichtung umfasst einen Einstellring, der insbesondere über Hebel mit den verstellbaren Leitschaufeln verbunden ist.
Üblicherweise werden die sog. Verdichter-Verstell-Leiträder in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verdichters sowie von den Eintrittsbedingungen am Verdichter gesteuert, d. h. die verstellbaren Leitschaufeln werden anhand eines sog. Verstellgesetzes, welches die genannten Randbedingungen berücksichtigt, verstellt, um den Verdichter bzw. die Strömungsarbeitsmaschine stets in einem möglichst günstigen Arbeitspunkt zu betreiben. Bekannt sind zudem Veränderungen des Verstellgesetzes abhängig von der Flughöhe eine Flugtriebwerkes sowie zum Zwecke der Stabilisierung des Verdichters nach einem Pumpstoß (= sog. Surge Recovery).
Die DE 33 15 995 A1 offenbart eine Regeleinrichtung für verstellbare Statorschaufeln, bei der die Wahrscheinlichkeit für einen Strömungsabriss im Verdichter vermindert ist. Die Regeleinrichtung weist Vorspannmittel zum Herbeiführen und Aufrechterhalten einer zusätzlichen Größe der Einstellung der Schaufeln aus einer Stellung, die durch einen Plan oder ein Programm bestimmt ist, auf. Die Vorspannmittel sind nur nach einem Startbetrieb des Flugzeugs wirksam und während ein Betriebsparameter des Triebwerks innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist (Seite 9).
Die DE 1 96 45 187 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung und Untersuchung der Ursachen von Laufschaufelschwingungen. Dabei ist ein Drucksensor am Gehäuse der Gasturbine angebracht, der so nah wie möglich an die Hinterkante der Laufschaufelstufe, deren Schwingungen ermittelt werden sollen, heranragt, ohne dass es im Betriebszustand der Gasturbine zu einer Berührung zwischen dem Drucksensor und der Laufschaufel kommen kann (Spalte 2).
In der DE 36 07 612 A1 sind ein Abgasturbolader für Diesel-Brennkraft-Maschinen und ein Verfahren zu seiner Regelung beschrieben. Die Abgas- und Luft-Leitschaufeln sowie die Diffusorschaufeln werden entsprechend den spezifischen Anforderungen, die durch die Betriebsparameter bestimmt sind, gesteuert. Die Regelung erfolgt mittels einer vorprogrammierten Steuereinheit, die die Stellung der Abgas- und Luftleitschaufeln sowie die Diffusorschaufeln steuert (Seite 4).
Das Problem besteht darin, dass die Veränderung der Leitradstellung bzw. der Leitschaufelposition im Betrieb des Verdichters zu wechselnden Zuströmungsbedingungen an den auf die Leitschaufeln folgenden Laufschaufeln führt. Diese Zuströmung kann zusätzlich während schneller transienter Vorgänge vom gewünschten Wert abweichen, weil dabei das Verstellgesetz nicht eingehalten werden kann. Dies kann unter Umständen zu Strömungsablösungen auf den Laufschaufeln führen, die ihrerseits unerwünschte Schwingungsbewegungen der Laufschaufeln verursachen. In ungünstigen Fallen können die genannten Strömungsablösungen die Laufschaufeln in selbst erregtes Flattern bringen und schlimmstenfalls zu deren Zerstörung führen.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zum Verstellen der Leitschaufeln einer Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere eines mehrstufigen Axial-Verdichters eines Flugtriebwerkes, entsprechend eines sog. Verstellgesetzes in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl sowie letztlich von den Eintritts-Umgebungsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Belastung in Form von durch wechselnde Spannungen bedingten Schwingungen und Verformungen der den Leitschaufeln nach geordneten Laufschaufeln mittels Sensoren erfasst wird und das Verstellen der Leitschaufeln zusätzlich in Abhängigkeit von der ermittelten mechanischen Belastung der Laufschaufeln erfolgt.
Bevorzugt werden die Sensorsignale an eine nach einem Verstellgesetz für die Leitschaufeln arbeitende elektronische Steuereinheit der Strömungsarbeitsmaschine zur Steuerung eines die Leitschaufeln betätigenden Verstellmechanismus übermittelt.
Insbesondere wird die mechanische Belastung der Laufschaufeln mittels Drucksensoren, Dehnmessstreifen oder optischen Sensoren erfasst.
Mit Hilfe geeigneter Sensoren ist es grundsätzlich möglich, Bedingungen, bei denen eine Laufschaufel durch Schwingungen unter hohen Wechselspannungen steht, zu detektieren. Bspw. eignen sich hierfür dynamische Druck-Sensoren, Dehnmessstreifen oder optische Sensoren. Nun wird vorgeschlagen, zumindest einige der in der Strömungsarbeitsmaschine vorhandenen Laufschaufeln mit derartigen Sensoren hinsichtlich der auftretenden Spannungsbelastung zu überwachen und diese Sensorsignale bspw. der elektronische Steuereinheit des Flugtriebwerkes mitzuteilen. Diese kann dann bei Erkennen eines für eine Laufschaufel ungünstigen Zustandes, nämlich einer unerwünscht hohen mechanischen Spannungs-Belastung derselben, anhand eines geeignet programmierten Rechenablaufes die Einstellung des die Leitschaufeln des Verdichters bzw. der Strömungsarbeitsmaschine betätigenden Verstellmechanismus soweit verändern, dass die gefährliche Spannung an der Laufschaufel auf ein tolerierbares Maß absinkt.
Weiterhin soll die genannte elektronische Steuereinheit (bei Flugtriebwerken üblicherweise FADEC) noch das sog. Verstellgesetz berücksichtigen bzw. verarbeiten, d. h. neben der mechanischen Belastung der Laufschaufeln bzw. zumindest einer Laufschaufel in jeder Stufe des mehrstufigen Axialverdichters sollen weiterhin die Maschinendrehzahl sowie die relevanten Umgebungs-Randbedingungen, insbesondere die Verdichter-Eintrittstemperatur, berücksichtigt werden, um daraufhin die Leitschaufeln derart zu positionieren, daß unter Berücksichtigung all dieser der elektronischen Steuereinheit mitgeteilten Eingangsgrößen ein im wesentlichen optimaler Betrieb des Verdichters erfolgt. Wie ein dementsprechender Rechenablauf, den die elektronische Steuereinheit durchführen soll, aussehen kann, kann dabei in einer geeigneten Berechnung oder Versuchsreihe festgestellt werden.
Durch die beschriebene Erweiterung der Funktionalität der elektronischen Steuereinheit und durch die sog. aktive Anpassung der Verdichter-Verstell-Leiträder wird die Schwingungssicherheit hoch belasteter Verdichterschaufeln verbessert. Ganz erheblich wird die Erprobung von Verdichtern in schwingungsmechanischer Hinsicht vereinfacht. Derzeit müssen nämlich die mechanischen Auswirkungen auf die Laufschaufeln von möglichen Abweichungen vom idealen Verstellgesetz auf aufwendig instrumentierten Verdichtern in Versuchstriebwerken untersucht werden. Dabei ist es erforderlich, den gesamten möglichen Einsatzbereich der Strömungsarbeitsmaschine abzufahren, wobei bei einem Flugtriebwerk auch die Flughöhe, die Flugmachzahl, sowie im wesentlichen jede mögliche Verdichter-Eintrittstemperatur zu untersuchen ist. Zumindest letzteres, was nur auf extrem teueren Höhenprüfständen möglich ist, muß bei einer Implementierung des vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahrens nicht mehr durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zum Verstellen der Leitschaufeln einer Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere eines mehrstufigen Axial-Verdichters eines Flugtriebwerkes, entsprechend eines sog. Verstellgesetzes in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl sowie letztlich von den Eintritts-Umgebungsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Belastung in Form von durch wechselnde Spannungen bedingten Schwingungen und Verformungen der den Leitschaufeln nachgeordneten Laufschaufeln mittels Sensoren erfasst wird und das Verstellen der Leitschaufeln zusätzlich in Abhängigkeit von der ermittelten mechanischen Belastung der Laufschaufeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale an eine nach dem Verstellgesetz für die Leitschaufeln arbeitende elektronische Steuereinheit der Strömungsarbeitsmaschine zur Steuerung eines die Leitschaufeln betätigenden Verstellmechanismus übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Belastung der Lauf schaufeln mittels Drucksensoren, Dehnmessstreifen oder optischen Sensoren erfasst wird.