DE102019110834A1

DE102019110834A1 - Zapfluftentnahmevorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102019110834A1
Application number: DE102019110834.9A
Authority: DE
Inventors: Bernd Becker
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zapfluftentnahmevorrichtung für eine Turbomaschine, die aufweist: einen in einem Strömungspfad (1) ausgebildeten Axialverdichter mit mindestens einer Verdichterstufe, die einen Rotor und einen Stator (2) umfasst, einen Zapfluftkanal (3), der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine aus dem Strömungspfad (1) des Axialverdichters abgezweigte Zapfluftströmung (4) zu leiten, und ein Sammelvolumen (8) eines Sekundärluftsystems, in das der Zapfluftkanal (3) mündet, wobei das Sekundärluftsystem mit der Zapfluft gespeist wird. Es ist vorgesehen, dass stromaufwärts des Sammelvolumens (8) im Zapfluftkanal (3) eine ringförmige Struktur (7) ausgebildet ist, die Öffnungen (71) enthält, durch die die Zapfluftströmung (4) die ringförmige Struktur (7) passieren kann, wobei die Öffnungen (71) als umlenkende Profile ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zapfluftentnahmevorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Bereitstellen von Zapfluft in einem Gasturbinentriebwerk.
Es ist bekannt, aus einem Verdichter eines Gasturbinentriebwerks Zapfluft zu entnehmen. Hierfür gibt es vielfältige Gründe. Beispielsweise erfolgt eine Zapfluftentnahme, um den Massenstrom durch den Verdichter zu variieren und diesen hinsichtlich seiner aerodynamischen Stabilität zu optimieren. Ein weiterer Grund kann darin bestehen, aus dem Verdichter abgezapfte Druckluft zum Antrieb von Druckluftmotoren und/oder Druckluftturbinen zu verwenden. Zapfluft wird des Weiteren beispielsweise für die Enteisung der Flügelvorderkanten des Flugzeuges, für die Enteisung von Triebwerksbauteilen und für die Druckbeaufschlagung und die Klimatisierung der Flugzeugkabine verwendet. Allgemein wird unterschieden zwischen Niederdruck-Zapfluft und Hochdruck-Zapfluft zum Antrieb von Hilfsgeräten am Triebwerk und am Flugzeug und reiner Abblaseluft, die über Bord geht und zur Stabilität des Verdichters beiträgt.
Der Zapfluftkanal führt die abgezweigte Zapfluftströmung typischerweise einem Sammelvolumen eines Sekundärluftsystems zu, von dem aus die Zapfluft weiter verteilt wird. Ein solches Sammelvolumen wird auch als Plenum bezeichnet. In dem Sammelvolumen befinden sich mehrere Zapfluftentnahmestellen, über die Zapfluft jeweils entnommen und unterschiedlichen Verbrauchern zugeführt werden kann. Jede Zapfluftentnahmestellen stellt dabei eine Drucksenke dar. Da die an den einzelnen Zapfluftentnahmestellen entnommene Zapfluft von der Menge her unterschiedlich sein kann, kann die Situation auftreten, dass die Entnahme von Zapfluft aus dem Hauptströmungspfad des Verdichters schwankt. Dies ist nachteilig, da es hierdurch zu Rückstaueffekten und Druckverlusten kommen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Zapfluftentnahmevorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk bereitzustellen, die eine möglichst homogene Entnahme von Zapfluft aus dem Hauptströmungspfad des Verdichters über alle Entnahmemengen realisiert.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine Zapfluftentnahmevorrichtung für eine Turbomaschine, die einen in einem Strömungspfad ausgebildeten Axialverdichter mit mindestens einer Verdichterstufe aufweist, wobei die Verdichterstufe einen Rotor und einen Stator umfasst. Der Strömungspfad wird radial innen durch eine radial innere Strömungspfadberandung und radial außen durch eine radial äußere Strömungspfadberandung begrenzt. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Zapfluftkanal, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine aus dem Strömungspfad des Axialverdichters abgezweigte Zapfluftströmung zu leiten. Der Zapfluftkanal führt die abgezweigte Zapfluftströmung einem Sammelvolumen eines Sekundärluftsystems zu, von dem aus die Zapfluft weiter verteilt wird, wobei das Sekundärluftsystem mit der Zapfluft gespeist wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass stromaufwärts des Sammelvolumens im Zapfluftkanal eine ringförmige Struktur ausgebildet ist, die Öffnungen enthält, durch die die Zapfluftströmung die ringförmige Struktur passieren kann, wobei die Öffnungen als umlenkende Profile ausgebildet sind.
Eine solche Ausgestaltung ist mit dem Vorteil verbunden, dass die Zapfluft dem Sammelvolumen auch bei kritischen Betriebsbedingungen optimiert zugeführt werden kann. Die Ausbildung der Öffnungen als Profile minimiert dabei Druckverluste und ermöglicht es, die Zapfluft in definierter Richtung in das Sammelvolumen einzuleiten. Hierdurch kann die Massenstromentnahme aus dem Hauptströmungspfad des Verdichters homogener erfolgen.
Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Öffnungen unterschiedliche Größen bzw. Querschnitte aufweisen, wobei die Öffnungen über den Umfang der ringförmigen Struktur verteilt sind. Die Verteilung der Größen erfolgt dabei abhängig von der Verteilung der Zapfluft im Sammelvolumen bzw. abhängig von der Position der Zapfluftentnahmestellen. Dabei kann durch die Größe der Öffnungen die Durchströmungsfläche in Abhängigkeit von der Umfangsposition an statische Drucksenken, die durch die im Sammelvolumen angeordneten Zapfluftentnahmestellen entstehen, angepasst werden. Dies erlaubt eine gleichmäßige Massenstromentnahme aus dem Strömungspfad des Verdichters.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die umlenkenden Profile durch Stege gebildet sind (die auch als Rippen oder Wandungsbereiche bezeichnet werden können), die in Umfangsrichtung zwischen aneinander angrenzenden Öffnungen ausgebildet sind und diese in Umfangsrichtung definieren. Die Stege lenken die Luft, die die Öffnungen passiert, um, so dass die Luft in definierter Weise in Richtung bestimmter Zapfluftentnahmestellen gelenkt werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Öffnungen an ihrer axial vorderen Seite in Drallrichtung der Zapfluftströmung ausgerichtet sind, d. h. gemäß der Strömungsrichtung der Zapfluft im Zapfluftkanal ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung kann abhängig von der Umfangsposition der jeweiligen Öffnung unterschiedlich sein. Die Zapfluft hat bei der Umlenkung in den Zapfluftkanal und eventuell auch durch Strukturen im Zapfluftkanal einen Drall erfahren. Durch Ausrichtung der Öffnungen in der ringförmigen Struktur an diesen Drall werden Druckverluste beim Durchtritt durch die Öffnungen minimiert.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass jeweils eine Mehrzahl benachbarter Öffnungen die Zapfluftströmung derart umlenken, dass sie zu einer bestimmten benachbarten Zapfluftentnahmestelle geleitet wird. Dadurch kann die Zapfluft gezielt in Richtung bestimmter Drucksenken geleitet werden, die mit den Zapfluftentnahmestellen im Sammelvolumen einhergehen.
Zur Realisierung unterschiedlicher Größen der Öffnungen in der ringförmigen Struktur im Zapfluftkanal sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Innenradius der Unterkante der Öffnungen für alle Öffnungen der gleiche ist und der Außenradius der Oberkante der Öffnungen in Abhängigkeit von der Lochgröße variiert. Die Öffnungen sind dabei beispielsweise rechteckförmig ausgebildet.
Die ringförmige Struktur ist in einer Ausgestaltung durch einen Gehäuseflansch eines Verdichtergehäuses gebildet. Dabei ist vorgesehen, dass der Zapfluftkanal sich durch den Gehäuseflansch erstreckt und durch diesen geführt wird. Ein hiermit verbundener Vorteil steht darin, dass der Gehäuseflansch mit einer zusätzlichen Funktonalität versehen wird, nämlich der gezielten Beeinflussung der Zapfluftströmung für eine Optimierung des statischen Innendrucks im Sammelvolumen. Des Weiteren ermöglicht eine solche Ausgestaltung, den Zapfluftkanal mit einer vergleichsweise nur geringen Neigung gegenüber der Strömungsrichtung im Verdichter auszurichten, da der Zapfluftkanal nicht an dem Gehäuseflansch vorbeigeführt werden muss. Dadurch werden nur geringe Umlenkungen der Zapfluft in radialer Richtung benötigt, was Druckverluste bei der Zapfluftentnahme reduziert.
Dementsprechend sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Zapfluftkanal sich in einem Winkel kleiner als 90°, insbesondere in einem Winkel kleiner als 60° zur Strömungsrichtung im Strömungspfad erstreckt.
Jedoch wird darauf hingewiesen, dass die im Zapfluftkanal ausgebildete ringförmige Struktur auch als gesondertes Teil ausgebildet sein kann und nicht zwingend durch einen Gehäuseflansch realisiert werden braucht.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Zapfluftkanal zumindest abschnittsweise als Diffusor ausgebildet ist, in dem die Strömung kontrolliert und ohne überhöhte Grenzschichtbelastung verzögert wird, um den statischen Druckrückgewinn im Sammelvolumen zu optimieren.
Der Zapfluftkanal ist beispielsweise als Ringspalt ausgebildet, wobei die axial vordere Wand und die axial hintere Wand des Zapfluftkanals durch einen Spalt voneinander getrennt sind. Der Ringspalt kann in Umfangsrichtung über 360° durchgehend ausgebildet sein oder alternativ aus mehreren Kreissegmenten bestehen, die sich jeweils über einen bestimmten Winkelbereich in Umfangsrichtung erstrecken.
Der Zapfluftkanal kann stromabwärts eines Rotors oder Stators vom Strömungspfad des Axialverdichters abzweigen.
Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die Erfindung ein Gasturbinentriebwerk mit einer Zapfluftentnahmevorrichtung nach Anspruch 1. Die Zapfluftentnahmevorrichtung ist dabei beispielsweise in einem Mitteldruckverdichter oder einem Hochdruckverdichter des Gasturbinentriebwerks realisiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung bezogen auf ein zylindrisches Koordinatensystem beschrieben ist, das die Koordinaten x, r und φ aufweist. Dabei gibt x die axiale Richtung, r die radiale Richtung und φ den Winkel in Umfangsrichtung an. Die axiale Richtung ist dabei durch die Maschinenachse des Gasturbinentriebwerks, in dem die vorliegende Erfindung implementiert ist, definiert, wobei die axiale Richtung vom Triebwerkseingang in Richtung des Triebwerksausgangs zeigt. Diese axiale Richtung ist identisch mit der axialen Richtung des Axialverdichters der Zapfluftentnahmevorrichtung. Von der x-Achse ausgehend zeigt die radiale Richtung radial nach außen. Begriffe wie „vor“, „hinter“, „vordere“ und „hintere“ beziehen sich auf die axiale Richtung bzw. die Strömungsrichtung im Triebwerk. Begriffe wie „äußere“ oder „innere“ beziehen sich auf die radiale Richtung.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Triebwerkskern umfassen, der eine Turbine, einen Brennraum, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Gebläse (mit Gebläseschaufeln) umfassen, das stromaufwärts des Triebwerkskerns positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Gebläse, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das einen Eingang von der Kernwelle empfängt und Antrieb für das Gebläse zum Antreiben des Gebläses mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle abgibt. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich das Gebläse mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen, aufweisen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Der Triebwerkskern kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei solch einer Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen allgemein ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend angeordnet sein, von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, lediglich von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, von einer oder mehreren Wellen, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel, angetrieben zu werden.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann ein Brennraum axial stromabwärts des Gebläses und des Verdichters (der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Brennraum direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Der Brennraum kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln, bei denen es sich um variable Statorschaufeln (dahingehend, dass ihr Anstellwinkel variabel sein kann) handeln kann, umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Jede Gebläseschaufel kann mit einer radialen Spannweite definiert sein, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden von Gas überströmten Stelle oder an einer Position einer Spannbreite von 0 % zu einer Spitze an einer Position einer Spannbreite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an dem vorderen Randteil (oder dem axial am weitesten vorne liegenden Rand) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Gebläseschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Gebläses kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Gebläseschaufel an ihrem vorderen Rand gemessen werden. Der Durchmesser des Gebläses (der einfach das Doppelte des Radius des Gebläses sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Gebläsedurchmesser kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Gebläses kann im Gebrauch variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Gebläse mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich das Gebläse (mit zugehörigen Gebläseschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Gebläseschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Gebläseschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Gebläsespitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über das Gebläse hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Gebläsespitze, beispielsweise an dem vorderen Rand der Spitze, ist (die als Gebläsespitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Gebläsespitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Gebläsespitzenbelastung kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Triebwerkskerns befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Gebläsegehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Gebläses zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in den Brennraum) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 Nkg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1 _S oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160kN, 170kN, 180kN, 190kN, 200kN, 250kN, 300kN, 350kN, 400kN, 450kN, 500kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 Grad C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 Grad C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zum Brennraum, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400K, 1450K, 1500K, 1550K, 1600K oder 1650K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700K, 1750K, 1800K, 1850K, 1900K, 1950K oder 2000K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Gebläseschaufel und/oder ein Blattabschnitt einer Gebläseschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Gebläseschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Gebläseschaufel einen vorderen Schutzrand aufweisen, der unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch ein vorderer Rand kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Gebläseschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Gebläse, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Gebläseschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Gebläseschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Gebläseschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Gebläseschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Gebläseschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Gebläseschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals im Gebrauch gestatten. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Das Gebläse einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Gebläseschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Gebläseschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantfahrtbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantfahrtbedingungen außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt, entsprechen. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 Grad C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Gebläsebetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen das Gebläse (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Gebrauch kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise 2 oder 4) Gasturbinentriebwerk zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 in Draufsicht und in Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Zapfluftentnahmevorrichtung, bei der Zapfluftkanal durch einen Gehäuseflansch geführt wird, wobei der Gehäuseflansch mehrere ringförmig angeordnete Öffnungen unterschiedlicher Größe aufweist, durch die die Zapfluft in einen angrenzenden Sammelraum geleitet wird;
3 eine Darstellung einer Zapfluftentnahmevorrichtung, die zusätzlich zu den Komponenten der 2 auch einen Sammelraum, in den die Zapfluft geleitet wird, und von dem Sammelraum ausgehende Zapfluftentnahmestellen zeigt;
4 eine Ansicht entlang der Linie A-A der 3 unter Darstellung der in dem Gehäuseflansch ringförmig angeordneten Öffnungen unterschiedlicher Größe;
5 eine Abwicklung des aus den ringförmig angeordneten Öffnungen bestehenden Gitters der 4 entlang dem Schnitt B-B der 4;
6 eine Ansicht entlang der Linie A-A der 3 einer alternativen Ausgestaltung des Gehäuseflansch unter Darstellung einer gegenüber der Ausgestaltung der 4 reduzierten Anzahl ringförmig angeordneter Öffnungen; und
7 eine Abwicklung des aus den ringförmig angeordneten Öffnungen bestehenden Gitters der 6 entlang dem Schnitt B-B der 6.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Schubgebläse bzw. Fan 23, das zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Der Triebwerkskern 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Das Gebläse 23 ist über eine Welle 26 und ein Epizykloidengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Gebrauch wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Das Gebläse 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das Epizykloidengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht das Gebläse 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die das Gebläse 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann das Gebläse 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbogebläsetriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Gebläsestufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist eine Zapfluftentnahme über einen Zapfluftkanal von Bedeutung. Die Zapfluftentnahme erfolgt beispielsweise hinter einem Stator des Niederdruckverdichters oder des Hochdruckverdichters der 1.
Die 2 zeigt eine Zapfluftentnahmevorrichtung, die einen in einem Strömungspfad 1 ausgebildeten Axialverdichter umfasst, der mindestens eine Verdichterstufe mit einem Rotor und einem Stator umfasst, wobei ein Stator 2 einer Verdichterstufe dargestellt ist. Der Strömungspfad 1 wird radial außen durch eine radial äußere Strömungspfadbegrenzung 110 begrenzt. Er wird radial innen durch eine radial innere Strömungspfadbegrenzung begrenzt (vgl. Strömungspfadbegrenzung 120 der 3).
Die Zapfluftentnahmevorrichtung umfasst des Weiteren einen Zapfluftkanal 3, über den eine Zapfluftströmung 4 aus dem Strömungspfad 1 abgezweigt wird. Der Zapfluftkanal 3 umfasst eine Eingangsöffnung 31, die stromabwärts des Stators 2 in der radial äußeren Strömungspfadberandung 110 ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst der Zapfluftkanal 3 eine axial vordere Wand 32 und eine axial hintere Wand 33, die sich an die Eingangsöffnung 31 anschließen. Der Zapfluftkanal 3 ist ringförmig ausgebildet und erstreckt sich über einen Winkelbereich von 360° in Umfangsrichtung. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Zapfluftkanal 3 nur in bestimmten Umfangsbereichen der Zapfluftentnahmevorrichtung ausgebildet ist.
Der Stator 2 umfasst eine Leitschaufel 210 und eine radial äußere Schaufelplattform 220, an der die Leitschaufel 210 befestigt ist. Der Stator 2 kann des Weiteren eine radial innere Schaufelplattform aufweisen (nicht dargestellt).
Der Zapfluftkanal 3 wird durch eine ringförmige Struktur 7 geführt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Bereich eines Gehäuseflansches 70 bereitgestellt wird.
Die 3 verdeutlicht die Gesamtanordnung. So mündet der Zapfluftkanal 3 in ein Sammelvolumen 8, das durch ein umgebendes Gehäuse 80 definiert ist. Das Sammelvolumen 8 ist Teil eines Sekundärluftsystems zur Versorgung verschiedener Komponenten des Gasturbinentriebwerks mit Zapfluft. Hierzu weist das Sammelvolumen 8 eine Mehrzahl von Zapfluftentnahmestellen 81 auf. Der Volumenstrom an Zapfluft, der entnommen wird, kann an den einzelnen Zapfluftentnahmestellen 81 variieren.
Die Zapftluft gelangt in das Sammelvolumen 8 über die ringförmige Struktur 7, die stromaufwärts unmittelbar vor dem Sammelvolumen 8 ausgebildet ist. Dadurch, dass die ringförmige Struktur 7 im Gehäuseflansch 70 ausgebildet ist, kann der Zapfluftkanal 3 mit einer vergleichsweise geringen Neigung gegenüber der Strömungsrichtung im Strömungspfad 1 des Verdichters ausgerichtet sein. So ist es nicht erforderlich, den Zapfluftkanal 3 an dem notwendigerweise vorhandenen Gehäuseflansch 70 vorbeizuführen. Der Zapfluftkanal 3 erstreckt sich beispielsweise in einem Winkel kleiner als 90°, inbesondere in einem Winkel kleiner als 60° zur Strömungsrichtung im Strömungspfad 1. Durch die geringe Neigung des Zapfluftkanals 3 werden bei der Zapfluftentnahme nur geringe Umlenkungen der Zapfluft in radialer Richtung benötigt, was Druckverluste bei der Zapfluftentnahme reduziert, so dass im Sammelvolumen ein höherer statischer Druck realisiert werden kann.
Gemäß der Schnittdarstellung der 4, die einen Schnitt entlang der Linie A-A der 3 darstellt, sind in der ringförmigen Struktur 7 eine Vielzahl von Öffnungen 71 ausgebildet, die über den Umfang der ringförmigen Struktur 7 verteilt sind und dabei eine unterschiedliche Größe, d. h. unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen können. Dabei sind die Öffnungen 71 als umlenkende Profile ausgebildet, wie noch erläutert werden wird.
In der 4 sind mehrere Zapfluftentnahmestellen 81-84 erkennbar, die in Umfangsrichtung beabstandet zueinander am Sammelvolumen 8 ausgebildet sind. Der an den einzelnen Zapfluftentnahmestellen 81-84 entnehmbare Volumenstrom kann variieren.
Zur Realisierung unterschiedlicher Größen der Öffnungen 71 ist vorgesehen, dass zwar der Innenradius R1 der Unterkante der Öffnungen 71 für alle Öffnungen 71 der gleiche ist, jedoch der Außenradius R2 der Oberkante der Öffnungen 71 in Abhängigkeit von der Lochgröße variiert. Die Öffnungen 71 sind dabei im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet.
Die Luft im Zapfluftkanal 3 kann die ringförmige Struktur 7 nur durch die Öffnungen 71 passieren, gelangt also nur über diese in das Sammelvolumen 8.
In Umfangsrichtung sind zwischen den Öffnungen 71 Stege bzw. Wandbereiche 72 ausgebildet, die die Breite der Öffnungen definieren. Wie der abgewickelten Darstellung der 5 entnommen werden kann, sind die Stege 72 als umlenkende Profile ausgebildet. Durch die Form der Stege 72 sind die Öffnungen 71 als umlenkende Profile ausgebildet. Die Stege 72 sind dabei jeweils derart geformt, dass benachbarte Gruppen von Öffnungen 71 die Strömung im Zapfluftkanal 3 an eine bestimmte der Zapfluftentnahmestellen 81-84 leiten. Dabei ist die Verteilung der Größen der Öffnungen 71 an die Zapfluftentnahmestellen 81-84 angepasst. Wie auch der 4 entnommen werden kann, sind beispielsweise die Entnahmeöffnungen 71 kleiner ausgebildet, wenn die zugehörige Zapfluftentnahmestellen 82, 84 eine große Drucksenke bildet. Hierdurch wird der Massenstrom der Zapfluft insgesamt homogenisiert.
Die 6 und 7 zeigen eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 4 und 5, bei dem die Öffnungen 71 breiter ausgebildet sind und sich über einen größeren Winkelbereich in Umfangsrichtung erstrecken. Die radiale Höhe der Öffnungen 71 kann dabei innerhalb einer Öffnung 71 variieren. Entsprechend breiter sind auch die Stege 82 ausgebildet, die sich in Umfangsrichtung zwischen den Öffnungen 71 erstrecken. Das Wirkprinzip ist jedoch das gleiche wie beim Ausführungsbeispiel der 4 und 5, wie der 7 entnommen werden kann. Die Zapfluft wird über die Öffnungen 71 gezielt einzelnen der Zapfluftentnahmestellen 81-84 zugeführt, wobei Öffnungen, die in einem bestimmten Umfangswinkelbereich liegen, die Zapfluft einer zugeordneten Zapfluftentnahmeöffnung zuführen. Gleichzeitig kann die einer bestimmten Zapfluftentnahmeöffnung zugeführte Luft über die Größe der Öffnungen 71 eingestellt werden.
Wie erläutert ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine ringförmige Struktur 7 stromaufwärts des Sammelvolumens 8 im Zapfluftkanal 3 angeordnet, wobei die ringförmige Struktur 7 ungleichförmige Lochgrößen über dem Umfang verwendet, um eine möglichst homogene Entnahme von Zapfluft aus dem Hauptströmungspfad 1 des Verdichters über alle Entnahmemengen zu realisieren. Dabei werden Stege 82, die in der Anzahl und der Umfangsposition an die Zapfluftentnahmestellen 81-84 angepasst sind, im Flansch 70 zur strukturellen Verbindung des Flansches 70 und zur Strömungsumlenkung verwendet. Die Drosselung der Strömung zu den Zapfluftentnahmestellen 81-84 hin wird beispielsweise durch eine Variation des äußeren Radius der Öffnungen 71 bzw. des durch diese erzeugten Schlitzes realisiert.
Die Reduktion der Durchströmfläche in Abhängigkeit der Umfangsposition erlaubt die Anpassung an die durch die Zapfluftentnahmestellen 81-84 verursachten statischen Drucksenken und sorgt für eine gleichmäßige Massenstromentnahme aus dem Strömungspfad 1 des Verdichters. Die für die strukturelle Aufgabe erforderlichen Stege 82 werden passend zu den statischen Drucksenken zur zusätzlichen Drosselung der stark entnehmenden Zapfluftentnahmestellen 82, 84 verwendet. Die Übergänge sind abgerundet, um Ablösungen der Strömung zu minimieren und Aufstaueffekte für den Verdichtergaspfad zu reduzieren.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsformen der Zapfluftentnahme nicht auf die Anwendung hinter dem Stator beschränkt sind, sondern auch hinter dem Rotor zum Einsatz kommen können, wenn die Zapfluft hinter dem Rotor entnommen werden soll.
Des Weiteren können beliebige der Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims

Zapfluftentnahmevorrichtung für eine Turbomaschine, die aufweist: - einen in einem Strömungspfad (1) ausgebildeten Axialverdichter mit mindestens einer Verdichterstufe, die einen Rotor und einen Stator (2) umfasst, wobei der Strömungspfad (1) radial innen durch eine radial innere Strömungspfadberandung (220) und radial außen durch eine radial äußere Strömungspfadberandung (210) begrenzt wird, - einen Zapfluftkanal (3), der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine aus dem Strömungspfad (1) des Axialverdichters abgezweigte Zapfluftströmung (4) zu leiten, und - ein Sammelvolumen (8) eines Sekundärluftsystems, in das der Zapfluftkanal (3) mündet, wobei das Sekundärluftsystem mit der Zapfluft gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Sammelvolumens (8) im Zapfluftkanal (3) eine ringförmige Struktur (7) ausgebildet ist, die Öffnungen (71) enthält, durch die die Zapfluftströmung (4) die ringförmige Struktur (7) passieren kann, wobei die Öffnungen (71) als umlenkende Profile ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlenkenden Profile durch Stege (72), die in Umfangsrichtung zwischen aneinander angrenzenden Öffnungen (71) ausgebildet sind und diese in Umfangsrichtung definieren, gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (71) an ihrer stromaufwärtigen Seite in Drallrichtung der Zapfluftströmung ausgerichtet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (71) unterschiedliche Größen aufweisen, die über den Umfang der ringförmigen Struktur (7) verteilt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Größen der Öffnungen (71) an die Position von Zapfluftentnahmestellen (81-84), die im Sammelvolumen (8) ausgebildet sind, angepasst sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenradius (R1) der Unterkante der Öffnungen (71) für alle Öffnungen (71) der gleiche ist und der Außenradius (R2) der Oberkante der Öffnungen (71) in Abhängigkeit von der Öffnungsgröße variiert.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (71) rechteckförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Mehrzahl in Umfangsrichtung benachbarter Öffnungen (71) die Zapfluftströmung (4) derart umlenken, dass sie zu einer benachbarten Zapfluftentnahmestelle (81-84) des Sammelvolumens (8) geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Struktur (7) durch einen Gehäuseflansch (70) eines Verdichtergehäuses gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfluftkanal (3) sich in einem Winkel kleiner als 90°, insbesondere in einem Winkel kleiner als 60° zur Strömungsrichtung im Strömungspfad (1) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfluftkanal (3) in einem Abschnitt stromaufwärts der ringförmigen Struktur (7) als Diffusor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfluftkanal (3) als Ringspalt ausgebildet ist.
Gasturbinentriebwerk mit einer Zapfluftentnahmevorrichtung nach Anspruch 1.