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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
Steuern der Kühlluftzufuhr zu einem Gasturbinentriebwerk.
Hintergrund
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Die Reduzierung des Betriebsspiels zwischen den Spitzen der
rotierenden Turbinenlaufschaufeln eines Gasturbinentriebwerks und
der umgebenden ringförmigen Ummantelung ist ein technisches
Problem, das Gasturbinentriebwerkentwickler und -hersteller
beschäftigt hat. Eine erfolgreiche Technik zum Reduzieren dieses
Spiels ist das Auftreffenlassen einer Strömung externer
Kühlluft auf das tragende Turbinengehäuse gewesen, um das Gehäuse
zu kühlen und dadurch den inneren Durchmesser der abgestützten
Ummantelung zu reduzieren. Durch zweckmäßige Regulierung der
Strömung dieser Kühlluft kann die Ummantelung ausreichend nahe
an die rotierenden Laufschaufelspitzen gebracht werden, um so
die Menge des Turbinenarbeitsfluids, das die rotierenden
Laufschaufelstufen umgeht, zu reduzieren, aber nicht so nahe, daß
es zu einem Kontakt zwischen der Ummantelung und den
Laufschaufelspitzen kommt.
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Die Reaktion des Turbinengehäuses und des beschaufelten Rotors
auf Änderungen des Turbinendrossel- und -leistungswertes ist
kürzlich eingehend geprüft worden, um herauszufinden, ob
Modifikationen der Kühlströmungssteuerung erforderlich sind.
Die mitanhängigen, auf die gleiche Inhaberin übertragenen US-
Patentanmeldungen mit dem Titel "Clearance Control Method for
Gas Turbine Engine", US-Serien-Nr. 07/372 398 von F.M. Schwarz,
et al. und "Active Clearance Control with Cruise Mode", US-
Serien-Nr. 07/370 434 von F.M. Schwarz et al. beziehen sich auf
Verfahren zum Modifizieren des Programms für stationäre
Kühlluftzufuhr, um mögliche stufenweise Vergrößerungen des Drossel
- oder Triebwerksleistungswertes zu berücksichtigen, ohne daß es
zu einer Berührung zwischen den Schaufelspitzen und der
Ummantelung
kommt. Diese Verfahren berücksichtigen allerdings nicht
die jüngste Leistungswertgeschichte des Gasturbinentriebwerks.
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Die jüngste Leistungswertgeschichte eines Triebwerks hat sich
als wichtig beim Vorhersagen des Auftretens einer Berührung
zwischen den Schaufelspitzen und der Ummantelung während einer
Wiederbeschleunigung des Triebwerks innerhalb einer kurzen Zeit
nach einer vorherigen Abbremsung des Triebwerks herausgestellt.
Triebwerke, die bei normaler Flugleistung unter stationären
Bedingungen laufen, erfahren nach einer Stufenreduktion der
Triebwerksleistung einen plötzlichen transienten Anstieg des
Spiels zwischen den Laufschaufelspitzen und der Ummantelung.
Dieser Anstieg resultiert aus der Abbremsung der
Turbinenrotorwinkelgeschwindigkeit und einer entsprechenden
Reduktion der Zentrifugalkräfte, die auf die einzelnen
Laufschaufeln wirken. Bei Triebwerken, die mit stationären
Kühlströmungsprogrammen arbeiten, welche nur die
Triebwerksrotorgeschwindigkeit berücksichtigen, erfährt dieses erhöhte
Spiel eine nachfolgende transiente Verringerung, da die gegen
das Turbinengehäuse gerichtete Kühlluft in Verbindung mit einem
Arbeitsfluid mit reduzierter Temperatur, das nun durch den
Turbinenabschnitt des Triebwerkes strömt, zu einer Verringerung
der Gehäusetemperatur und dadurch des Gehäusedurchmessers
führt.
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In dieser anfänglichen Zeitspanne nach der Triebwerksabbremsung
kühlt auch der Turbinenrotor ab und schrumpft radial, da die
Arbeitsfluidtemperatur sinkt, jedoch ist der Turbinenrotor
weitaus massiver und hat daher eine größere Wärmekapazität als
das umgebende Turbinengehäuse, wodurch eine längere Zeit zum
Erreichen seiner entsprechenden stationären Größe bei
Niedrigleistung erforderlich ist. Es hat sich herausgestellt,
daß ein Problem auftritt, wenn das Triebwerk auf normale
Betriebsleistung während dieser Zeitspanne nach der
anfänglichen Abbremsung wieder beschleunigt wird, in welcher das
Gehäuse auf seinen stationären Durchmesser bei niedrigerer
Leistung abgekühlt worden ist, bevor der Turbinenrotor seine
entsprechende stationäre Abmessung erreicht hat. Der Effekt der
Wiederbeschleunigung ist ein schneller Anstieg der
Turbinenrotorgeschwindigkeit, wodurch die Zentrifugalkräfte an den
Turbinenlaufschaufeln wieder hergestellt werden, welche sich radial
um einen ausreichenden Abstand ausdehnen, so daß es zu einer
Berührung zwischen den Laufschaufelspitzen und der Ummantelung
kommt. Obwohl die Temperatur des Arbeitsfluids, das die Turbine
durchströmt, als Folge der Wiederbeschleunigung ansteigt, führt
die thermische Auswirkung auf das Gehäuse nicht so schnell zu
einer Expansion, wie die erhöhte Rotorgeschwindigkeit radiales
Wachstum der Turbinenlaufschaufelspitzen verursacht.
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Die GB-A-2 025 536 offenbart ein Turbinenrotor/Ummantelung-
Spielregelsystem, in welchem eine Kühlluftströmung zu der
Ummantelungshaltevorrichtung als Reaktion sowohl auf die
Rotorgeschwindigkeit als auch auf eine über einen vorbestimmten Wert
hinausgehende Zeit durch selektiven Gebrauch und Mischen von
zwei Luftquellen mit verschiedenen Temperaturen variiert wird.
Vier verschiedene Betriebsarten, von denen jede ihren
vorgeschriebenen Kühlluftlieferungsmodus hat, sind so vorgesehen,
daß im stationären Zustand auch die Temperatur der Kühlluft
ansteigt, wenn die Triebwerksgeschwindigkeit und die
Zyklustemperatur dies tut. Für den Übergangsbetrieb bringt ein
Zeitschaltgerät die gewünschten Kühlluftlieferungsmoden in eine
solche Reihenfolge, daß das optimale Spiel zwischen Rotor und
Ummantelung aufrechterhalten wird.
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Was benötigt wird, ist ein Verfahren zur Ermöglichung der
Wiederbeschleunigung dem Gasturbinentriebwerks nach einer
vorherigen Abbremsung ab der normalen Betriebsleistung.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Steuern einer Strömung
von Kühlluft zu einem Turbinengehäuse zum Steuern des radialen
Spiels zwischen dem Gehäuse und einem innen angeordneten Rotor,
umfassend die Schritte:
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(a) Vorsehen eines Programms für die Kühlluftströmung als eine
Funktion der stationären Winkelgeschwindigkeit;
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(b) Messen der Winkelgeschwindigkeit des Rotors;
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(c) Anordnen eines Luftströmungsregelventils, das auf das
vorgesehene
Programm und die gemessene Winkelgeschwindigkeit
anspricht, und
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(d) Überwachen der Größe der Änderung der Rotorgeschwindigkeit;
wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt:
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(e) Schließen des Ventils auf einen überwachten Abfall der
Rotorwinkelgeschwindigkeit hin, der größer als ein vargewählter
Wert ist, wobei das Ventil für eine vorgewählte Zeitspanne nach
dem überwachten Abfall geschlossen bleibt, wobei die
vorgewählte Zeitspanne eine Funktion der Rotorwinkelgeschwindigkeit
vor dem überwachten Abfall und zusätzlich eine Funktion der
Größe des überwachten Abfalls ist.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Verhindern von Reibung
oder radialer Berührung zwischen den Laufschaufelspitzen des
Turbinenrotors und der umgebenden Ummantelung während einer
Wiederbeschleunigung nach einer Abbremsung. Die Erfindung
erfaßt einen Abfall der Rotorgeschwindigkeit, übersteuert den
Regler für das Turbinengehäusekühlluftventil und befiehlt ihm,
für eine Zeitspanne zu schließen, während welcher dem
transienten Effekt der Abbremsung vorrüberzugehen gestattet wird. Der
Regler wird am Ende der Zeitspanne freigegeben, was eine
Wiederaufnahme des Normalbetriebes von Ventil und
Turbinengehäusekühlsystems erlaubt.
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Das Schließen des Ventils eliminiert die Strömung von Kühlluft
zu dem äußeren Gehäuse, was ein Wärmerwerden des Gehäuses als
Folge der Strömung der erhitzten Verbrennungsprodukte durch die
Turbine gestattet. Das vorübergehend wärmere Gehäuse erhöht das
Betriebsspiel zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und der
vom Gehäuse getragenen Ummantelung. Dieses zusätzliche Spiel
ist ausreichend, um das mögliche kurzzeitige radiale Wachstum
der Laufschaufelspitzen als Folge einer Wiederbeschleunigung
auf Vollastbetrieb zu ermöglichen, bevor der Turbinenrotor
seine stationäre Abmessung bei verringerter Leistung erreicht
hat.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der transienten
Reaktion des radialen Spiels zwischen den
Laufschaufelspitzen und der Ummantelung nach Abbremsung bei
anschließender Wiederbeschleunigung.
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Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der
Ventilverschlußzeit als eine Funktion der Reduktion einer hohen
Rotordrehzahl (U/min) und einer hohen
Rotoranfangsdrehzahl (U/min).
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Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines
Gasturbinentriebwerks mit einem System zum Liefern einer
modulierten Kühlluftströmung zu der Außenseite des
Turbinengehäuses.
Genaue Beschreibung der Erfindung
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Im folgenden wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen und
insbesondere auf Fig. 3, die ein Turbofangasturbinentriebwerk
10 mit einem Fangehäuse 12 und einem Turbinengehäuse 9 zeigt,
das durch das Aufprallen der relativ kühlen Luft gekühlt wird,
welche von (nicht gezeigten) Öffnungen in einer Mehrzahl von
umgebenden Auslaßröhren 36 geliefert wird. Die Röhren 36 nehmen
die Kühlluft von einem Zuführverteiler 34 auf, der Kühlluft von
dem Fangehäuse 12 durch eine darin vorgesehene Öffnung 32
aufnimmt. Eine Kühlluftströmung wird durch ein moduliertes Ventil
44 reguliert, das durch eine Steuerung 42 gesteuert wird,
welche gemäß dem hier offenbarten Verfahren arbeitet.
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Wie im vorgehenden Hintergrund-Abschnitt bemerkt, reduziert die
Verwendung relativ kühler Luft, die direkt auf das
Turbinengehäuse 9 aufprallt, die Turbinengehäusetemperatur und dadurch
den Durchmesser, wodurch das radiale Spiel zwischen den
Laufschaufelspitzen des (nicht gezeigten) Turbinenrotors und der
umgebenden ringförmigen (nicht gezeigten) Ummantelung oder
Luftabdichtung reduziert wird, welche konzentrisch in dem
äußeren Turbinengehäuse 9 gehalten ist. Die strukturellen Details
des Turbofantriebwerks 10 sind in der Technik gut bekannt und
werden deswegen hier nicht wiederholt.
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Fig. 1 zeigt die transiente Reaktion des Spiels δ zwischen
Laufschaufelspitzen und Ummantelung nach einem Abfall des
Triebwerksleistungswerts ab stationärem Betrieb bei Betriebs
- oder Reiseflugleistung auf einen Flugleerlaufleistungswert oder
irgendeinen anderen wesentlich reduzierten Leistungswert. Die
Reduktion des Leistungswerts tritt bei einer Zeit gleich null
auf und bewirkt einen plötzlichen Anstieg des Spiels ab dem
stationären Spiel, das δMIN entspricht. Der plötzliche Anstieg
des Laufschaufelspitzen-Ummantelung-Spiels ist die Folge des
entsprechenden Abfalls der Rotorgeschwindigkeit, der die
Zentrifugalkraft auf die Turbinenlaufschaufeln reduziert und
hierdurch den Gesamtdurchmesser der Turbinenlaufschaufelspitzen
reduziert.
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Die gestrichelte Kurve 102 in Fig. 1 stellt den derzeitigen
Stand der Technik für Aufprallkühlsysteme dar, bei denen die
Kühlluftströmung zu dem Turbinengehäuse 9 als eine Funktion der
Rotorgeschwindigkeit gesteuert wird. Wie klar aus Fig. 1
ersichtlich ist, fällt das durch die Kurve 102 dargestellte Spiel
δ trotz Auftretens eines anfänglichen Spielanstieges dann
transient ab, wenn die Temperatur des Turbinengehäuses 9 auf den
stationären Teilleistungswert absinkt. Das Spiel steigt dann
allmählich auf den stationären Teilleistungswert δLEERLAUF an,
wenn der massive Turbinenrotor seine untere
Gleichgewichtstemperatur erreicht. Die zeitliche Veränderung des Spiels ist so
eine Folge der Wärmekapazität und der Reaktionsfehlanpassung
zwischen dem relativ dünnen Turbinengehäuse 9 und dem
massiveren (nicht gezeigten) Turbinenrotor. Dies ist während dieser
Zeitspanne unmittelbar nach einem Abfall des
Turbinenleistungswerts von Reiseflug- auf Leerlaufleistungswert der Fall, bei
dem die Temperaturfehlanpassung zwischen dem Turbinenrotor und
dem Turbinengehäuse am gravierendsten ist und während dem das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung am effektivsten zum
Schutz der Laufschaufelspitzen und der Ummantelung vor
Berührung ist.
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Das Problem ist am besten ersichtlich, wenn die Wirkung eines
Triebwerksleistungswertanstiegs während dieser Übergangsspanne
beobachtet wird. Die gestrichelte Kurve 104 zeigt die
Auswirkung auf das Laufschaufelspitzen-Ummantelung-Spiel bei einer
anschließenden Wiederbeschleunigung des Triebwerks auf den
Reiseflugleistungswert, bevor der Turbinenrotor seine
Flugleerlauftemperatur erreicht hat. Der relativ schnelle
Rotorgeschwindigkeitsanstieg bewirkt, daß Zentrifugalkräfte
wieder auf die Turbinenlaufschaufeln wirken und daß der
Laufschaufelspitzendurchmesser ansteigt. Dieser Anstieg ist
relativ schnell und tritt schneller auf als der konkurrierende
thermische Effekt der angestiegenen Temperatur des
Arbeitsfluids auf das Turbinengehäuse 9. So wachsen die
Laufschaufelspitzen radial schneller als das Turbinengehäuse, was zu
einer Berührung oder Reibung zwischen den Laufschaufelspitzen und
der umgebenden Ummantelung führt. Die Fehlanpassung ist durch
die Auswanderung 106 der Kurve 104 unter δMIN in Fig. 1
gezeigt.
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Diese Auswanderung 106 kann zum Kontakt zwischen den
Laufschaufelspitzen und der Ummantelung führen, was Ummantelungsmaterial
entfernt und das Spiel zwischen der Ummantelung und den
Laufschaufelspitzen während des nachfolgenden Gasturbinenbetriebs
durch das Entfernen des Ummantelungsmaterials auf Dauer
vergrößert, den Gasturbinentriebwerkgesamtwirkungsgrad verringert,
den Brennstoffverbrauch erhöht und die Lebensdauer der
Ummantelung verkürzt. Einfach gesagt, kann die Wirkung einer
einzelnen, wie durch die Kurve 104 gezeigten Auswanderung durch
Verursachen der Entfernung eines beträchtlichen Teils der
umgebenden Ummantelung oder Luftabdichtung beträchtlich oder
vollständig den Wirkungsgradvorteil beeinträchtigen, der durch die
Verwendung einer Kühlung für das äußere Turbinengehäuse erzielt
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt, daß eine
zeitweilige thermische Fehlanpassung zwischen dem Turbinengehäuse
und dem Turbinenrotor nach einer beträchtlichen Abbremsung oder
einem beträchtlichen Leistungswertabfall auftritt, und
kompensiert diese Fehlanpassung durch zeitweiliges Unterbrechen des
Betriebes der die Kühlströmung moduliereriden Steuerung 42, wenn
ein Triebwerksleistungswertanstieg erfaßt wird. Das
erfindungsgemäße Verfahren sorgt für eine zeitweilige Unterbrechung
der Kühlluftströmung zu dem Turbinengehäuse 9, indem das
Modulierungsventil 44 für eine Zeitspanne nach einem
Triebwerksleistungswertabfall im wesentlichen geschlossen wird. Die Länge
der Abfallzeit ist eine Funktion sowohl des anfänglichen
Triebwerksleistungswerts als auch der Größe der Reduzierung.
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Ein transienter Effekt der Verwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in Fig. 1 durch die durchgezogene Kurve 108
gezeigt. Wie im Stand der Technik führt die
Triebwerksleistungswertreduktion vom Reiseflug auf Leerlauf zu einem
plötzlichen Anstieg des Spiels δ als Folge des Abfalls der
Turbinenrotorgeschwindigkeit. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird dieses erhöhte Spiel durch zeitweises Eliminieren der
Kühlluftströmung zu dem Turbinengehäuse 9 aufrechterhalten,
wodurch sich eine erhöhte Turbinengehäüsetemperatur und dadurch
ein erhöhter Turbinengehäusedurchmesser ergeben.
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Nachdem eine ausreichende Zeit verstrichen ist, um dem
Turbinenrotor ein Erreichen des thermischen Gleichgewichts zu
gestatten, wird das Steuern der Kühlluftströmung wieder der
normalen Steuerung 42 übertragen, Wodurch sich die Kurven, die zu
Zeiten T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; beginnen, ergeben. Wie oben bemerkt, sind
T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; abhängig von der anfänglichen
Rotorgeschwindigkeit und der Größe von deren Abfall.
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Wie durch die Wiederbeschleunigungskurven 110 ersichtlich ist,
sorgt das erfindungsgemäße Verfahren durch Schaffen eines
erhöhten radialen Spiels zwischen den Laufschaufelspitzen und der
Ummantelung während der transienten Fehlanpassung nach einem
Triebwerksleistungswertabfall für ein ausreichendes radiales
Spiel, so daß eine anschließende Wiederbeschleunigung des
Triebwerks ab reduzierter Leistung auf volle oder
Reiseflugleistung möglich ist, ohne daß es zu einer Auswanderung unter das
minimale benötigte Spiel δMIN kommt.
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Es sollte beachtet werden, daß für die Zeitspanne, in der das
erfindungsgemäße Verfahren die Kühlluftströmung zu dem
Turbinengehäuse abgeschnitten hat, der Triebwerkswirkungsgrad
aufgrund des zwischen den Laufschaufelspitzen und der
Ummantelung geschaffenen erhöhten Spiels zeitweise reduziert ist.
Solch ein Wirkungsgradabfall tritt nur nach einer
beträchtlichen Turbinenleistungswertreduktion ab Reiseflug- oder
Betriebsleistung und dann nur für eine Zeitspanne auf, die
ausreichend ist, das Triebwerk vor dem Auftreten von Berührung
während einer anschließenden Wiederbeschleunigung zu schützen.
Es ist durch Betrachtung von
Triebwerksleistungswerteinstellungen während eines normalen Linienfluges geschätzt worden, daß
diese Wirkungsgradreduktion im Durchschnitt ein einziges Mal
pro Flugzyklus auftritt und den Betrieb des Triebwerks für
näherungsweise 120 Sekunden beeinflußt, und so ist ein
zeitweiliger Triebwerkswirkungsgradabfall der kleine Preis, der zum
Verhindern einer Entfernung von Ummantelungsmaterial auf Dauer und
einer dauerhaften Erhöhung des Spiels zwischen
Laufschaufelspitzen und Ummantelung bezahlt wird.
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Fig. 2 zeigt ein Abtastprogramm, das von dem erfindungsgemäßen
Verfahren zum Berechnen der Länge der Verzögerungszeit PD
verwendet wird, welche von dem Verfahren nach einem
Triebwerksleistungswertabfall auferlegt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet die Rotorgeschwindigkeit oder im Falle eines
Zweiwellengasturbinentriebwerks die
Hochdruckrotorgeschwindigkeit als ein Maß für den Turbinenleistungswert. So stellen die
Kurven 112, 114, 116, 118 und 120 den Bereich der
Anfangsrotorgeschwindigkeit N&sub2;INIT (INIT für initial) dar, während die
horizontale Achse die Größe des Rotorgeschwindigkeitsabfalls
ΔN&sub2; darstellt, welche von dem erfindungsgemäßen Verfahren
benutzt werden, um die Verzögerung zu bestimmen, bevor die
Steuerung
des modulierenden Ventils 44 wieder der normalen Steuerung
42 übertragen wird.
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Zum Beispiel würde bei einer Anfangsrotorgeschwindigkeit von
11500 U/min und einem sprunghaften Abfall der
Rotorgeschwindigkeit um 4000 U/min das erfindungsgemäße Verfahren unter
Verwendung des Progrämms von Fig. 2 das modulierende Ventil 44 für
näherungsweise 410 Sekunden in einer geschlossenen Position
halten, bevor die Steuerung wieder der Steuerung 42 übertragen
wird. Wie auch aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird eine
Anfangsturbinenrotorgeschwindigkeit von 10250 U/min oder weniger
keine Unterbrechung der Kühlluftzufuhr zu dem Turbinengehäuse 9
erfordern, egal in welcher Größe die Drehzahl abfällt. Fig. 2
stellt auch eine praktische untere Grenze für die
Rotorgeschwindigkeitsänderung ΔN&sub2; dar, die eine Unterbrechung der
Kühlluftzufuhr einleiten wird. Diese untere Grenze von 500
U/min stellt eine praktische untere Grenze der
Turbinenleistungswertänderung dar, unter der eine thermische Fehlanpassung
zwischen dem Turbinenrotor und dem Gehäuse relativ unwesentlich
ist.
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Es wird klar sein, daß Fig. 2 aber nur eine Darstellung der
Beziehung zwischen der Hochdruckrotoranfangsgeschwindigkeit und
der Änderung der Hochdruckrotorgeschwindigkeit ist und daß
andere Formeln und Programme benutzt werden können abhängig von
Parametern wie thermische Reaktion des Turbinengehäuses,
thermische Reaktion des Turbinenrotors, Kühlkapazität des
Turbinengehäusekühlsystems etc. Das Verzögerungsprogramm kann
demgemäß für eine bestimmte Triebwerksserie oder -art entweder
berechnet oder experimentell bestimmt werden.