DE19901509A1

DE19901509A1 - Verfahren zum Verstellen der Leitschaufeln einer Strömungsarbeitsmaschine

Info

Publication number: DE19901509A1
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: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2019-01-17
Also published as: DE19901509B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstellen der Leitschaufeln einer Strömungsarbeitsmaschine, insbesondere eines mehrstufigen Axial-Verdichters eines Flugbetriebwerkes, entsprechend eines sog. Verstellgesetzes in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl sowie letztlich von den Eintritts-Umgebungsbedingungen. Erfindungsgemäß werden die Leitschaufeln zusätzlich in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung der den Leitschaufeln nachgeordneten Laufschaufeln der Strömungsarbeitsmaschine vestellt. Bevorzugt wird hierzu die mechanische Belastung der Laufschaufeln, insbesondere die auf diese einwirkenden Wechselspannungen, mittels geeigneter Sensoren erkannt und einer des weiteren das Verstellgesetz verarbeitenden und die geeignete Verstellung der Leitschaufeln auch im Hinblick auf eine Minimierung der mechanischen Belastung der Laufschaufeln initiierenden elektronischen Steuereinheit mitgeteilt.

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 lediglich beispiels halber auf die DE 42 16 033 A1 verwiesen, da hierin eine Leitschaufel- Verstellvorrichtung in einer Flug-Gasturbine beschrieben 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 be rücksichtigt, 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 Veränderung der Leitradstellung bzw. der Leitschaufelposition im Betrieb des Verdichters führt zu wechselnden Zuströmungsbedingungen an den auf die Leitschaufeln folgenden Laufschaufeln. Diese Zuströmung kann zusätz lich während schneller transienter Vorgänge vom gewünschten Wert abwei chen, weil dabei das Verstellgesetz nicht eingehalten werden kann. Dies kann unter Umständen zu Strömungsablösungen auf den Laufschaufeln füh ren, die ihrerseits unerwünschte Schwingungsbewegungen der Laufschau feln verursachen. In ungünstigen Fällen können die genannten Strömungs ablösungen die Laufschaufeln in selbsterregtes Flattern bringen und schlimmstenfalls zu deren Zerstörung führen.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschau feln zusätzlich in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung der den Leitschaufeln nachgeordneten Laufschaufeln der Strömungsarbeitsmaschine verstellt werden. Bevorzugt wird hierzu die mechanische Belastung der Lauf schaufeln, insbesondere die auf diese einwirkenden Wechselspannungen und die daraus resultierenden Verformungen, mittels geeigneter Sensoren erkannt und einer desweiteren das Verstellgesetz verarbeitenden und die geeignete Verstellung der Leitschaufeln auch im Hinblick auf eine Minimie rung der mechanischen Belastung der Laufschaufeln initiierenden elektroni schen Steuereinheit mitgeteilt.

Mit Hilfe geeigneter Sensoren ist es grundsätzlich möglich, Bedingungen, bei denen eine Laufschaufel durch Schwingungen unter hohen Wechselspan nungen steht, zu detektieren. Bspw. eignen sich hierfür dynamische Druck sensoren, Dehnmeßstreifen oder optische Sensoren. Nun wird vorgeschla gen, zumindest einige der in der Strömungsarbeitsmaschine vorhandenen Laufschaufeln mit derartigen Sensoren hinsichtlich der auftretenden Span nungsbelastung zu überwachen und diese Sensorsignale bspw. der elektro nische Steuereinheit des Flugtriebwerkes mitzuteilen. Diese kann dann bei Erkennen eines für eine Laufschaufel ungünstigen Zustandes, nämlich einer unerwünscht hohen mechanischen Spannungs-Belastung derselben, an hand eines geeignet programmierten Rechenablaufes die Einstellung des die Leitschaufeln des Verdichters bzw. der Strömungsarbeitsmaschine betä tigenden Verstellmechanismus soweit verändern, daß die gefährliche Span nung 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 Axialverdich ters sollen weiterhin die Maschinendrehzahl sowie die relevanten Umge bungs-Randbedingungen, insbesondere die Verdichter-Eintrittstemperatur, berücksichtigt werden, um daraufhin die Leitschaufeln derart zu positionie ren, daß unter Berücksichtigung all dieser der elektronischen Steuereinheit mitgeteilten Eingangsgrößen ein im wesentlichen optimaler Betrieb des Ver dichters erfolgt. Wie ein dementsprechender Rechenablauf, den die elektro nische 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 hochbelasteter Verdichterschaufeln verbessert. Ganz erheblich wird die Erprobung von Verdichtern in schwin gungsmechanischer Hinsicht vereinfacht. Derzeit müssen nämlich die me chanischen Auswirkungen auf die Laufschaufeln von möglichen Abweichun gen vom idealen Verstellgesetz auf aufwendig instrumentierten Verdichtern in Versuchstriebwerken untersucht werden. Dabei ist es erforderlich, den gesamten möglichen Einsatzbereich der Strömungsarbeitsmaschine abzu fahren, wobei bei einem Flugtriebwerk auch die Flughöhe, die Flugmachzahl, sowie im wesentlichen jede mögliche Verdichter-Eintrittstemperatur zu unter suchen ist. Zumindest letzteres, was nur auf extrem teueren Höhenprüfstän den möglich ist, muß bei einer Implementierung des vorgeschlagenen erfin dungsgemäßen Verfahrens nicht mehr durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zum Verstellen der Leitschaufeln einer Strömungsarbeits maschine, insbesondere eines mehrstufigen Axial-Verdichters eines Flugtriebwerkes, entsprechend eines sog. Verstellgesetzes in Abhän gigkeit von der Maschinendrehzahl sowie letztlich von den Eintritts- Umgebungsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln zusätzlich in Abhän gigkeit von der mechanischen Belastung der den Leitschaufeln nach geordneten Laufschaufeln der Strömungsarbeitsmaschine verstellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Belastung der Lauf schaufeln, insbesondere die auf diese einwirkenden Wechselspan nungen, mittels geeigneter Sensoren erkannt und einer desweiteren das Verstellgesetz verarbeitenden und die geeignete Verstellung der Leitschaufeln auch im Hinblick auf eine Minimierung der mechani schen Belastung der Laufschaufeln initiierenden elektronischen Steu ereinheit mitgeteilt wird.