DE2909825A1

DE2909825A1 - Steuersystem fuer einen mehrstufigen axialstroemungskompressor eines gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE2909825A1
Application number: DE19792909825
Authority: DE
Inventors: Peter Gordon Graham Farrar; Alan George Radcliffe
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-03-14
Filing date: 1979-03-13
Publication date: 1979-09-20
Also published as: FR2420046A1; JPS54133209A; IT7920751A0; IT1111897B; JPS60543B2; US4252498A; FR2420046B1; DE2909825C2

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach Dip!.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ipg. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 13. März 1979

Unser Zeichen: 16 541 - K/Ap

Anmelder: Rolls-Royce Limited

Buckingham Gate
London SWlE 6AT

Bezeichnung: Steuersystem für einen mehrstufigen

Axialströmungskompressor eines
Gasturbinentriebwerks

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für mehrstufige Axialstromungskompressoren eines Gasturbinentriebwerks.

Ein Grundproblem, welches bei Axialstromungskompressoren auftritt, ist der Vorgang des Pumpens. Dieser kann dann auftreten, wenn Druck, Geschwindigkeit oder Drehzahlbeziehung des Kompressors gestört wird, so daß er außerhalb seiner Betriebscharakteristiken arbeitet. Der Pumpvorgang stellt ein Abreißen der Strömung durch den Kompressor dar, woraus eine heftige Turbulenz resultiert. Dabei gibt es eine "Stall-Bedingung", wobei die Strömung nur in einigen Stufen des mehrstufigen Kompressors abreißt, während unter einer "Surge-Bedingung" ein komplettes Abreißen der glatten Luftströmung durch den Kompressor erfolgt.

Der Wert der Luftströmung und das Druckverhältnis des Kompressors, bei dem ein solches Pumpen auftritt, wird als "Pumpeinsatzpunkt" bezeichnet. Dieser Punkt ist charakteristisch für jede Kompressordrehzahl und die Linie, die all diese "Pumpeinsatzpunkte" verbindet und in einer graphischen Darstellung gezogen wird, die das Druckverhältnis über der Massenströmung darstellt, wird als "Pumplinie" bezeichnet und definiert die minimale stabile Luftströmung, die bei jeder Drehzahl erlangt werden kann. Ein Kompressor wird normalerweise so ausgelegt, daß er einen guten Sicherheitsbereich zwischen den Werten der Luftströmung und dem Kompressionsverhältnis aufweist, bei dem er normalerweise betrieben wird, und den Werten von Luftströmung und Kompressionsverhältnis bei dem ein Pumpen einsetzt.

Es ist gewöhnlich notwendig, ein System zur Luftströmungssteuerung zu benutzen um zu gewährleisten, daß der Axialströmungskompressor über einen weiten Drehzahlbereich wirksam arbeitet,

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und zwar innerhalb des oben erwähnten SicherheitSDerexcnes. Das System besteht gewöhnlich darin, Kompressorluft von einer Zwischenstufe abzuzapfen und/oder eine Reihe von Leitschaufeln mit einstellbarem Anstellwinkel vorzusehen, die so angeordnet sind, daß ihr Winkel in der Weise eingestellt werden kann, daß die Strömungsabreißbedingung der Rotorschaufeln unmittelbar stromab dieser variablen Leitschaufeln vermindert wird, wenn das Triebwerk außerhalb der Nennbedingungen arbeitet. Derartige einstellbare Leitschaufeln sind normalerweise am Kompressoreinlaß vorgesehen, jedoch können sie auch vor einer Zahl von Rotorstufen liegen oder es können sogar für alle Rotorstufen derartige Einstell-Leitschaufeln vorgesehen sein.

Die einstellbaren Leitschaufeln bedingen ein vorbestimmtes Maß an Verwirbelung in der nach den Rotorschaufeln hindurchtretenden Luft unmittelbar stromab dieser Leitschaufein und es wird gewährleistet, daß die Luft den Rotorschaufeln mit einer im wesentlichen richtigen Geschwindigkeit und mit dem richtigen Winkel zugeführt wird, Je nach den verschiedenen Betriebsbedingungen, die im Kompressor auftreten. Demgemäß besteht die Gesamtwirkung der variablen Leitschaufeln darin, die Lage der Pumplinie einzustellen.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um automatisch die Winkel der variablen Leitschaufeln einzustellen, und es ist klar, daß die Ansprechgeschwindigkeit und die Winkel, die eingenommen werden können, hierbei von größter Wichtigkeit sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirksames Steuersystem für derartige einstellbare Leitschaufeln zu schaffen, wodurch die Wahrscheinlichkeit von einem Abriß der Strömung und Pumpwirkungen vermindert wird, wenn der Kompressor außerhalb seiner Nennbedingungen arbeitet.

Die Erfindung geht aus von einem Steuersystem für einen mehr-

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stufigen Axialströmungskompressor eines Gasturbinentriebwerks, von dem eine Stufe mit einstellbaren Leitschaufeln ausgestattet ist. Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe hierbei dadurch gelöst, daß ein erster Detektor einen ersten Druck in der komprimierten Strömung stromab der einstellbaren Leitschaufeln feststellt, der durch die Einstellung der Schaufeln beeinflußt wird, daß ein zweiter Detektor einen zweiten höheren Druck in der komprimierten Strömung feststellt, der im wesentlichen unabhängig von der Einstellung der Schaufel ist, jedoch funktionell von der Drehzahl des Kompressors des Triebwerks abhängt, und daß eine Steuerstufe die durch die Detektoren abgenommenen Drücke benutzt, um einen Antrieb zu veranlassen, den Winkel der einstellbaren Leitschaufeln in vorbestimmter Weise einzustellen, in Abhängigkeit von dem Verhältnis von zweitem und erstem Druck.

Der erste Druck kann dabei ein Druck sein, der in einer der vier Stufen eines Rotors und Stators herrscht, die unmittelbar der Stufe mit den verstellbaren Leitschaufeln folgen, und vorzugsweise ist es der Druck, der benachbart zu der folgenden Gruppe von Leitschaufeln herrscht.

Vorzugsweise sind die einstellbaren Leitschaufeln benachbart zum Einlaß des Kompressors angeordnet, obgleich auch mehr als eine Gruppe einstellbare Leitschaufeln vorgesehen werden kann, die je mit einem eignen Steuersystem ausgerüstet sind.

Der zweite höhere Druck kann der Kompressorförderdruck sein, oder es kann der Förderdruck eines weiteren Kompressors sein, der in Strömungsrichtung mit dem Kompressor stromab hiervon angeordnet ist.

Die Mittel zur Einstellung des Winkels der Leitschaufeln werden vorzugsweise von einem Fluidicverstärker geliefert,

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wobei die ersten und zweiten Drücke direkt benutzt werden, um den Verstärker zu betätigen.

Vorzugsweise ist das Ansteigen des Verhältnisses zwischen dem zweiten höheren Druck und dem ersten Druck derart, das der Winkel zwischen den Leitschaufeln und der Triebwerksachse vermindert wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Gasturbinentriebwerk mit einem Steuersystem für einen mehrstufigen Axialströmungskompressor gemäß vorbeschriebener Bauart.

Fachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem Steuersystem gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Kompressordruckverhältnisses in Abhängigkeit von der Luftströmung;

Fig. 3

und 4 graphische Darstellungen des Leitschaufelwinkels gegenüber einem Druckverhältnis bzw. einem triebwerksdrehzahlabhängigen Wert;

Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Druckanstieg über einem verstellbarem Einlaßleitschaufelkranz und der folgenden Rotorstufe und der Kompressormassenströmung zeigt;

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Steuersystems gemäß Fig. 1.

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Pig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 der Turbofan-Bauart mit einem Lufteinlaß 12, einem Pan 14, der einen Fankanal mit Luft speist und mit einem mehrstufigen Axialströmungszwischenverdichter 18 und einem mehrstufigen Hochdruckkompressor 20, mit einer Verbrennungseinrichtung 22, einer Turbine 24, einem Strahlrohr 26 und einer Abgasdüse 28. Der Fan 14 und die Kompressoren 18 und 20 werden von der Turbine angetrieben, die ihrerseits durch die Heißgase der Verbrennungseinrichtung 22 angetrieben wird.

Es können zwei oder drei getrennte Turbinen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein, und im ersteren Fall treibt eine Niederdruckturbine den Fan 14 und den Zwischendruckkompressor 18 und im letzteren Falle treibt eine Zwischendrucktrubine den Zwischendruckkompressor 18. In jedem Falle wird der Hochdruckkompressor 20 durch eine Hochdruckturbine angetrieben.

Der Zwischendruckkompressor 18 ist mit einstellbaren Einlaßleitschaufeln 30 ausgestattet, die unmittelbar stromauf der ersten Stufe von Rotorschaufeln 32 des Kompressors liegen. Eine Gruppe fester Statorschaufeln 34 befindet sich unmittelbar stromab der Rotorschaufeln 32. Um die Winkel der einstellbaren Einlaßleitschaufeln 30 einstellen zu können, ist jede Schaufel über einen Hebel 38 mit einem gemeinsamen Stellring 40 verbunden. Der Stellring kann in Umfangsrichtung über eine Kurbel 42 bewegt werden, die von einem pneumatischen Kolbenzylinderantrieb 44 betätigt wird. Dieser Antrieb wird durch die Steuerstufe 36 in der weiter unten beschriebenen Weise betätigt.

Die einstellbaren Einlaßleitschaufeln (VIGV) werden automatisch durch das Steuersystem gemäß der Erfindung eingestellt, und

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im Idealfall soll die Einstellung so vorgenommen werden, daß sie einem vorbestimmten Programm folgt* wenn sich die Triebwerksdrehzahl ändert, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Der VIGV-Winkel wird vorzugsweise zwischen vorbestimmten Grenzwerten eingestellt, und zwar im typischen Fall zwischen ungefähr 50° und 10° gegenüber der Triebwerksachse, wenn sich die Triebwerksdrehzahl ändert. (In Fig. 4 wird die Triebwerksdrehzahl N durch den Ausdruck γ/Τ eingestellt, um die sich ändernde Umgebungstemperatur zu berücksichtigen, die einen vorherrschenden Effekt auf das Verhalten des Triebwerks hat) Der Ausdruck N kann durch ein Druckverhältnis Pt₁ ersetzt

werden, das in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei ist P_H der Förderdruck des Hochdruckkompressors 20 und P_L ist ein niedrigerer

Druck,der von einem anderen Teil der Luftströmung im Triebwerk abgenommen wird, beispielsweise kann dies der Fanströmungsdruck sein, der im Kanal 16 auftritt.

Diese beiden Drücke werden durch geeignete Mittel abgenommen und der VIGV-Steuerstufe 3β zugeführt. Diese Steuerstufe stellt den Winkel der Einlaßleitschaufeln ein, indem der Kolbenantrieb 44 betätigt wird, der mit den Einlaßleitschaufeln verbunden ist, wobei die Einstellung gemäß dem Druckverhältnis P™ erfolgt,

- ; '..'^ ■■■.■■

um der Programmlinie gemäß Fig. 3 zu folgen.

Gewisse Umstände können zur Folge haben, daß sich der Druck Pt₁

schnell ändert, wobei die entsprechende Änderung in P_L unzureichend ist, um die Einlaßleitschaufeln entlang der Programmlinie gemäß Fig. 3 einzustellen. Eine solche Situation tritt ein, wenn das Triebwerk plötzlich beschleunigt werden soll, (schlagartige Beschleunigung) und wenn der Gashebel des Triebwerks weit geöffnet wird, damit mehr Brennstoff in die Ver-

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brennungseinrichtung gelangt. In diesem Fall steigt P„ schnell an, wodurch das Verhältnis P_H durch P_L erhöht und der Einlaßleitschaufelwinkel vermindert wird, bevor die Triebwerksdrehzahl sich vergrößert hat. Dies hat eine zweifache Wirkung, die in Fig. 2 dargestellt ist. Die Arbeitslinie des Kompressors 18 steigt an wenn die Brennstoffzufuhr erhöht wird, um das Triebwerk zu beschleunigen und da die Einlaßleitschaufeln auf einen kleineren Winkel eingestellt sind als für die betreffende Triebwerksdrehzahl festgelegt, wird die Pumplinie abgesenkt. Die Sicherheitsgrenze die proportional dem Spalt zwischen der Arbeitslinie und der Pumplinie ist, wird infolgedessen vermindert.

Der Zweck des erfindungsgemäßen Steuersystems besteht darin, diese Wirkung zu vermeiden. Gemäß der Erfindung wird dafür Sorge getragen, daß der Niederdruck P_L der Druck in dem Kanal stromab der einstellbaren Leitschaufeln 30 ist, und daß dieser Druck an einem Punkt abgenommen wird, der genügend dicht an den Einlaßleitschaufeln liegt, so daß der Druck von dem Winkel der einstellbaren Schaufeln abhängt. Dies ist richtig für die Drücke der ersten vier Rotorstufen und der Statorstufen stromab der einstellbaren Schaufeln, aber es ist am meisten ausgeprägt, an Stellen unmittelbar stromab der Schaufeln. Gemäß der Erfindung wird der Druck Pg₁ benutzt, d.h. der Druck, der an den Statorschaufeln 34 des Zwischendruckkompressors 18 auftritt, und zwar unmittelbar stromab der ersten Stufe von Rotorschaufeln 32. Dieser Druck wird durch den Abgriff 35 abgenommen, während der höhere Druck durch den Abgriff 37 abgenommen wird.

Da gemäß der Erfindung der Druck Pg-, unmittelbar stromab der Rotorschaufeln 32 abgenommen wird, erfolgt eine schnelle Feststellung des sich vermindernden Winkels der Einlaßleitschaufeln, und es können die Einlaßleitschaufeln auf einen größeren Winkel zurückgestellt werden. Daher steigt die Pumplinie etwa auf

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ihren richtigen Pegel, und der Sicherheitsbereich wird demgemäß vergrößert.

Dies ist in Fig. 5 dargestellt, wo eine graphische Darstellung des Druckanstiegs über den Einlaßleitschaufeln und der folgenden Rotorschaufelreihe (P₃₁) als Funktion der Massen-

^Pl

strömung durch den Kompressor dargestellt ist. P-, ist der Druck am Einlaß des Kompressors 18 vor den Einlaßleitschaufeln. Wenn die Massenströmung ansteigt, dann fällt das Verhältnis j=, längs dreier Kurven ab, die charakteristisch sind für

einen kleinen Einlaßleitschaufel-Einstellwinkel, für einen optimalen Winkel und einen großen Winkel gegenüber der Triebwerksachse. Wenn P^ graduell ansteigt, dann werden die Einlaßleitschaufeln veranlaßt, einen kleineren Winkel einzunehmen, und die Massenströmung vermindert sich anfänglich und das Triebwerk stellt sich auf die geplante Linie mit dem optimalen Einlaßleitschaufelwinkel am Punkt 48 ein und das Verhältnis Ρ_σ1 würde ansteigen bis ein neuer Punkt 50 erreicht ist.

Mit dem plötzlichen Ansteigen von P_H ergibt sich «jedoch eine plötzliche Verminderung des Einlaßleitschaufel-Einstellwinkels und eine Verminderung in der Massenströmung, Das Triebwerk bewegt sich demgemäß von der geplanten Linie weg nach einem Punkt 52 von dem Punkt 48 längs der strichlierten Linie 54. Pqjl wird dann über den geplanten Wert bei 50 angehoben, und diese Vergrößerung wird der Schaufeleinstellsteuerstufe 36 zugeführt, um den Anstellwinkel zu vergrößern und das Verhältnis Pg₁ zu vermindern. Bei einer konstanten Massenströmung bewegt ^Pl

sich der Arbeitspunkt längs der Linien 46nach dem Punkt 50 zurück, so daß der Kompressor wiederum auf der geplanten Linie

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- yr -

arbeitet.

Gleiche Wirkungen können auch während einer schnellen Verzögerung auftreten, wenn die Einlaßleitschaufeln sich plötzlich auf einen vergrößerten Winkel einstellen, obgleich in diesem Fall trotz Absenkung der Pumplinie die Arbeitslinie ebenfalls abgesenkt wird und die Sicherheitsgrenze dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Bei einem Bodie-Pumpvorgang, wenn einer schnellen Verzlgerung unmittelbar darauf eine schnelle Beschleunigung folgt und keine Stabilisierungsperiode zwischen Verzögerung und Beschleunigung vorhanden ist, und nur eine geringe oder keine Drehzahländerung erfolgt, bewegen sich die Einlaßleitschaufeln schnell von ihrer geplanten Einstellung auf einen größeren Winkel und dann auf einen kleineren Winkel. Die Möglichkeit des Pumpens ist bei solchen Manövern hoch, weil die Pumplinie beträchtlich abgesenkt wird, aber wegen der Benutzung des Druckes Pg-, werden die Einlaßleitschaufeln schnell wieder zurückgestellt auf ihre geplante Einstellung.

So ergibt das Steuersystem eine Einlaßleitschaufeleinstellung, die eine fast augenblickliche negative Rückstellung bewirkt und zu einem stabilen System führt, wobei die Möglichkeit des Pumpens vermindert wird.

Der Druck P„ der als Förderdruck des Hochdruckkompressors beschrieben wurde, könnte jedoch auch an verschiedenen Stellen des Zwischenkompressors oder des Hochdruckkompressors abgenommen werden. Er muß jedoch höher als Pn, sein und er muß sich mit der Kompressordrehzahl in einem stetigen Arbeitszustand des Triebwerks erhöhen, und er muß durch die Lage der Einlaßleitschaufeln in einem geringeren Ausmaß beeinflußt werden als der niedrigere Steuerdruck. Er muß auch auf die Brennkammerdrücke ansprechen und demgemäß wird der Hochdruck-

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Förderdruck als der optimale Druck in diesem Zusammenhang angesehen.

Es ist für den Fachmann klar, daß verschiedene mechanische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Systeme benutzt werden können, um die Funktion durchzuführen, die von der Steuerstufe 36 gefordert wird. Als Beispiel ist ein pneumatisches System schematisch in Fig. 6 dargestellt und nachfolgend beschrieben. Das Grundkonzept dieses Systems ist gleich aem

Konzept welches in der US-PS yj 83 903 der Anmelderin beschrieben ist.

Bei der Steuerstufe 36 gemäß Fig. 6 sind pneumatische Vorrichtungen bzw. Fluidics derart vorgesehen, daß der pneumatische Ausgang direkt in einem pneumatischen Kolbenantrieb benutzt werden kann. Einer der beiden Drücke P™ wird zur Steuerung benutzt und der Ringleitung 56 zugeführt. Verschiedene Abgriffe dieser Leitung ermöglichen es den Luftdruck sowohl als Steuerdruck als auch als Antriebsdruck in verschiedenen Fluidic-Verstärkern zu benutzen. Der erste Abgriff der Leitung 58 liefert Ρ_Η der Eingangsöffnung einer Strählsammelstufe 60. Die Ablaßverbindung 62 dieser Vorrichtung ist mit dem Abgriff für einen weiteren Steuerdruck P₃₁ verbunden. Der Ausgang des Strahlsammlers 60 erscheint an der Ausgangsleitung 64 a.is Steuerdruck der Bezeichnung mit P~ bezeichnet ist.

Der Strahlsammler ist an sich bekannt und er besitzt einen Ausgang der in der Weise auf seine Eingänge rückbezogen ist, daß das Verhältnis P_n fast linear aber sehr langsam mit dem

^PS1
Verhältnis P_H ansteigt, bis ein Sättigungswert erreicht ist,

wenn der Wert P_c aufhört mit ansteigendem Pw um ein größeres ^PS1 ^PS1

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Ausmaß anzusteigen. Der Ausgang P~ wird der Leitung 64 zugeführt, um einen Steuereingang für einen ersten Fluidic-Verstärker 66 zu bilden.

Der zweite Abgriff 68 der Leitung 56 führt den Druck P„ einer ersten festen öffnung 70 zu. Die Anzapfung 68 setzt sich über die öffnung 70 nach einer zweiten variablen Öffnung 72 fort und über die Länge dieser Abzapfungen zwischen den öffnungen ist ein Bezugsdruck P_R erzeugt. Die variable öffnung 72 wird durch ein Absperrorgan 7^ eingestellt, die über einen Verbindungshebel 76 von den einstellbaren Schaufeln 30 betätigt wird, und demgemäß ändert sich die Fläche dieser öffnung gemäß der Winkeleinstellung der Schaufeln. Die der festen öffnung 70 abgewandte Seite der öffnung 72 wird entlüftet, um einen Entlüftungsdruck zu liefern, der mit P_Q bezeichnet wird. Daher liegt der Druck P_R zwischen Ptt und P_Q, wobei ein Wert in diesem Druckbereich durch die Größe der öffnung 72 bestimmt wird, und demgemäß durch die Winkelstellung der Schaufel JO. Der Wert ändert sich bei fester Einstellung der öffnung 72 schneller mit Ρττ als P_c sich ändert.

Die variable öffnung 72 wird, wie schematisch dargestellt ist, durch das Ausmaß des Eindringens einer in bestimmter Weise geformten Nadel geändert. In der Praxis kann diese öffnung sehr gut als Schlitz ausgebildet sein, dessen offene Fläche durch eine Nockenplatte geändert wird, die über dem Schlitz liegt und diesen teilweise abdeckt, wobei eine Drehung der Nockenplatte das Ausmaß der Absperrung der öffnung bestimmt. Es ist klar, daß es sehr einfach ist, die Anordnung derart zu treffen, daß die Winkelstellung des Nocken mit jener der veränderbaren Schaufeln verbunden ist.

Bei allen Konstruktionen der variablen öffnung 72 wird der Bezugsdruck P_R über einen Kanal 78 zugeführt, um einen zweiten

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Steuereingang für den Verstärker 66 zu bilden. In diesem Verstärker wirken die Eingänge von P„ und P_R in den Kanälen 65 und 78 in Gegenrichtung auf einen Strahl des Antriebsdruckes. Dieser Druck umfaßt P„ und er wird von der Leitung 56 über einen Abgriff 8O abgenommen. Er speist dann eine Kammer 82 und strömt über eine Düse 84 in Form eines Strahls aus.

Je nachdem, welcher der Drücke P_c bzw. P_R höher ist, wird der Strahl von der Düse 84 in einen der Ausgangskanale 86 bzw. 88 abgelenkt. Entlüftungskanäle 87 und 89 sind an einen unter Entlüftungsdruck stehenden Raum (nicht dargestellt) angeschlossen. Wie es auf dem Gebiete der Fluidics bekannt ist, liefert die Vorrichtung demgemäß einen Ausgang aus den Leitungen 86 bzw. 88, der eine verstärkte Version des Eingangs nach den Leitungen 64 und 78.

Diese Ausgänge der Verstärker 66 werden als Eingang für einen zweiten Verstärker 90 benutzt, der wiederum als Abtrieb den Druck Pj₁ benutzt, der über einen Abgriff 92 aus der Leitung 56 abgenommen wird« Die Arbeitsweise dieses Verstärkers entspricht jener des Verstärkers 66 insofern als die Eingänge in 86 und 88 einen Strahl von P^ von der Düse 74. nach einem der Ausgänge 96 oder 98 ablenken. Wiederum wird der verbleibende Raum des Verstärkers entlüftet.

Eine weitere Verstärkungsstufe dieser Ausgänge wird dann durch einen Verstärker 100 gebildet, der in der Arbeitsweise genau dem Verstärker 90 entspricht und deshalb nicht im einzelnen beschrieben wird. Es ist klar, daß der Ausgang vom Verstärker 100 in die Leitungen 102 und 104 eine verstärkte Version der Ausgänge von 96 und 98 ist.

Die Wirkung der drei Reihenverstärker 66, 90 und 100 besteht darin, an den Ausgangskanälen 102 und 104 eine um ein Vielfaches

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vergrößerte Version der Steuer- und Bezugsdrücke V_n und P_n

in den Kanälen 64 und JS zu erhalten. Die vorgesehene Verstärkung reicht aus um es den Drücken in 102 und 104 zu ermöglichen, den pneumatischen Kolbenantrieb 44 direkt zu betätigen.

Um die Arbeitsweise des Systems zu verstehen, soll zunächst angenommen werden, daß das System anfänglich mit den Drücken P_c und P_R stabil ist, und daß demgemäß die Ausgangsdrücke in 102 und 104 gleich sind. Der Kolbenantrieb 44 befindet sich demgemäß im statischen Zustand und ebenso die Schaufeln 30. Wenn das Triebwerk nunmehr beschleunigt wird, indem die Brennstoffströmung nach der Brennkammer erhöht wird, dann steigt P„ schnell an, während P₃₁ sich nicht so schnell ändert. P_R ändert sich demgemäß um einen größeren Betrag als Ρ~ und der Verstärkerausgang von 66 wird in 88 groß und in 86 klein. Nach Durchlaufen der Verstärker 90 und 100 besteht das Ergebnis darin, daß ein höherer Druck in 104 auftritt und ein niedrigerer in 102, so daß der Kolbenantrieb 44 zusammengezogen wird und den Hebel 42, den Ring 40, die Hebel 38 und demgemäß die Schaufeln j50 betätigt, wodurch die Schaufeln im Gegenuhrzeigersinn gemäß Fig. 6 gedreht werden, was eine Verminderung des Schaufelwinkels zur Folge hat.

Durch die Drehung der Schaufeln wird die öffnung 72 über den Lenker 76 geöffnet und gleichzeitig steigt P₃₁ infolge des verminderten Schaufelwinkels an. Daher wird P_n vermindert und

it

Pq vergrößert, wodurch schnell der Ausgleich der Drücke in 102 und 104 hergestellt wird, so daß die Schaufeln 30 in ihrer richtigen Lage verharren.

Eine Verzögerung des Triebwerks durch Verminderung der Brennstoffströmung nach der Brennkammer hat natürlich genau den

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umgekehrten Effekt, aber wiederum ermöglicht die enge Beziehung von P_gl zu dem Schaufelwinkel ein schnelles und genaues Ansprechen durch das Steuersystem.

In der vorliegenden Beschreibung ist nur eine Gruppe von Einlaßleitschaufeln beschrieben, jedoch können alle oder einige der Stator-Leitschaufeln mit veränderbarem Anstellwinkel ausgebildet sein. So können alle Gruppen von Exnlaßleitschaufeln zusammen gemäß einem Druckverhältnis in der.vorbeschriebenen Weise gesteuert werden, oder Jede Gruppe kann unabhängig von der anderen gesteuert werden, wobei für jede Gruppe eine getrennte Druckverhältnis-Steuerung vorgenommen wird.Stattdessen können einige Gruppen von Exnlaßleitschaufeln durch ein Druckverhältnis gesteuert werden, und verschiedene andere Gruppen durch ein anderes Druckverhältnis. Wenn mehr als eine Gruppe mit veränderbarem Anstellwinkel vorgesehen ist, dann ist es leicht möglich, einen Druck irgendwo stromab der ersten Reihe variabler Schaufeln zu wählen, der inmitten dieser Masse liegt, oder der um einen geringen Betrag stromab der letzten bezüglich des Anstellwinkels einstellbaren Schaufel herrscht. """._.

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Leerseite

Claims

Patentanwälte Di ρ I.-1 ng. C u rt Wal lach Dipl.-Ing. Günther Koch 2909825 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 13. Mär Z 1979 Unser Zeichen: 15 5^1 ~ Patentansprüche

1./' Steuersystem für einen mehrstufigen Axialströmungskompressor eines Gasturbinentriebwerkes mit einer Stufe von Leitschaufeln,deren Anstellwinkel veränderbar ist, mit einem Antrieb zur Einstellung des Anstellwinkels der Schaufeln und mit einer Steuerstufe zur Steuerung der Arbeitsweise des Antriebs,

dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Detektor (35) einen ersten Druck (Po,) in der komprimierten Strömung stromab der hinsichtlich ihres Einstellwinkels anstellbaren Leitschaufeln (30) feststellt, der durch die Einstellung der Schaufeln beeinflußt wird, daß ein zweiter Detektor (37) einen zweiten höheren Druck (Ptt) in dem verdichteten Strömungsmittel feststellt, der im wesentlichen unabhängig von der Einstellung der Schaufeln (30) ist, aber funktionell von der Drehzahl eines Kompressors (20) des Triebwerks (10) abhängt, und daß die Steuerstufe (36) die von den Detektoren (35 und 37) festgestellten Drücke (Pgi * IVr) benutzt, um den Antrieb (38,40,42,44) zu veranlassen, die Schaufeln (30) in einer vorbestimmten Weise in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen zweiten und ersten Drücken (Ρ__Η ) einzustellen. ^PS1

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2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druck (Pg₁) der Druck in einer der vier Stufen von Läufern und Ständern unmittelbar stromab der Stufe mit den veränderbaren Leitschaufeln (30) ist.

3. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (P_g, ) der Druck in der Stufe der Statorschaufeln (34) unmittelbar stromab der Stufe der Rotorschaufeln (32) ist, die unmittelbar stromab der Stufe mit den einstellbaren Einlaßleitschaufeln (30) liegt.

4. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druck (P_H) der Förderdruck des Kompressors (18) oder eines folgenden Kompressors (20) des Triebwerks ist.

5. Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk zwei Axialströmungskompressoren (18,20) in Strömungsrichtung hintereinander aufweist, wobei der mit niedrigerem Druck arbeitende Kompressor (18) die einstellbaren Leitschaufeln (30) aufweist, und daß der Förderdruck (Ρττ) des zweiten Kompressors (20) als zweiter Druck benutzt wird.

6. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren Druckanzapfvorrichtungen (35,37) aufweisen.

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7. Steuersystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe ein Fluidic (56) aufweist, das vom ersten und zweiten Druck (P₃₁, P_H) betätigt wird, die von den Anzapfungen (35,37) herrühren.

8. Steuersystem nach Anspruch 7,
dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t, daß das Fluidic (36) einen pneumatischen Ausgang besitzt, der einen pneumatischen Kolbenantrieb (44) betätigt, der seinerseits den Winkel der einstellbaren Leitschaufeln (30) einstellt.

9. Steuersystem nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidic (36) eine feste Öffnung (70) und eine variable Öffnung (72) aufweist, die in Strömungsrichtung in einem Kanal (68) angeordnet sind, der den zweiten Druck (P^) am Ende benachbart zu der festen Öffnung (70) empfängt, daß der Kanal nach einem Entlüftungsdruck (Pq) an der Seite der variablen öffnung (72) entfernt von der festen Öffnung (70) entlüftet wird, daß eine Verbindung (76) zwischen der variablen Öffnung (72) und einer der einstellbaren Leitsehaufein (30) derart vorgesehen ist, daß die Fläche der veränderbaren öffnung (72) in einer vorbestimmten Weise mit der Winkelstellung der Schaufeln (30) geändert wird, und daß der Druck (P_R) in dem Kanal zwischen den Öffnungen (70,72) einen Bezugsdruck für die Steuerstufe (36) bildet.

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10. Steuersystem nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidic (36) einen Strahlsammler (60) aufweist, dessen zweiter Druck (P„) dem Antriebseingang (58) geliefert wird, während der erste Druck (P₃₁) einer Entleerungsverbindung (62) geliefert wird, und als Ausgang einen Steuerdruck (P₀) für die Stufe (36) bildet.

11. Steuersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidic (36) Fluidic-Verstärker (66; 9OjIOO) aufweist, die die Bezugs- und Steuerdrücke (P_R und P_c) verstärken, um Ausgänge (102; 104) zu liefern, die in der Lage sind, direkt den pneumatischen Kolbenantrieb (44) zu betätigen.

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