DE2045983A1

DE2045983A1 - Entnahme Ausstoßsystem fur den Kompressor eines Gasturbinentriebwerkes

Info

Publication number: DE2045983A1
Application number: DE19702045983
Authority: DE
Inventors: Thomas Lee Loveland Ohio Hampton (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-09-30
Filing date: 1970-09-17
Publication date: 1971-04-15
Also published as: BE756363A; FR2068282A5; US3588268A; GB1319348A

Description

Entnahme-Ausstoßsystem für den Kompressor eines Gasturbinentriebwerkes

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an Gasturbinentriebwerken und insbesondere eine verbesserte Kompressor-Entnahmevorrichtung für solche Triebwerke.

Der Kompressor eines Gasturbinentriebwerkes erzeugt Druckluft, um die Energie des heißen Gasstromes, welcher durch die Verbrennung des Brennstoffes in dem unter Druck stehenden Luftstrom erzeugt wird, zu erhöhen. Ein Teil der Energie des Gasstromes wird dazu verwendet, eine Turbine anzutreiben, während der·Rest in Antriebsleistung umgewandelt wird, indem er durch eine Rückstoßdüse ausgestoßen wird. Die Turbine ihrerseits treibt das Laufrad eines Kompressors mit einer Geschwindigkeit, welche im wesentlichen von der Geschwindigkeit der Verbrennung des Brennstoffes abhängt.

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INSPECTED

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Der Kompressor ist in eine aerodynamisch optimale Form sowohl für eine gegebene Kompressordrehzahl als auch hinsichtlich anderer Parameter, wie z.B. der Pluggeschwindigkeit, gebracht, welche für den Punkt des Triebwerkes, an dem die maximale Leistung gewünscht ist, ausgelegt wird. In vielen Fällen, bei denen der Betrieb an einem anderen als dem Auslegungs- oder Bemessungspunkt erfolgt, ist die Luftströmung/Zeit oder der Durchsatz durch einen Teil eines mehrstufigen Axialkompressors größer als er einer nachfolgenden Stufe zumutbar ist, ohne daß sich ein unzulässiger Druckanstieg für eine oder mehrere Stufen des Kompressors ergibt. Ein solcher unzulässiger Druckanstieg oder ein Anwachsen des Rück- oder Staudruckes kann ein "Abwürgen" ™ oder Abreißen des Luftstromes zur Folge haben und dadurch Verluste an Antriebskraft erzeugen. Das beschriebene Problem tritt in erster Linie bei niedrigen Drehzahlen des Kompressorlaufrades auf.

Eine Lösung dieses Problems, welche bereits einige Zeit in Gebrauch ist, besteht darin, Luft zu entnehmen und über Bord aus dem Kompressorgehäuse auszustoßen. Entnahme-Ausstoßsysteme werden unter bestimmten Bedingungen, die außerhalb des Auslegungspunktes liegen, während des Betriebs des Triebwerkes angewandt. Unter anderen Bedingungen und insbesondere beim Betrieb am Auslegungspunkt, muß da3 Entnahmesystem vollständig fe geschlossen sein, weil Leckverluste an Druckluft von dem Kompressor auch in geringen Mengen schwerwiegende Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks haben können.

Bekannte Entnahme-Ausstoßsystemejhaben unter verschiedenen Nachteilen gelitten. Einige solcher Systeme waren zu kompliziert, andere waren zu schwer, nicht nur wegen des verwendeten Mechanismus sondern auch wegen der für den Einbau erforderlichen größeren Gesamtlänge des Triebwerks.Bei einigen anderen Systemen war es problematisch Leckverluste an Kompressordruckluft zu verhüten, wenn die Entnahmeströmung abgestellt ist.

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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Entnahme-Ausstoßsystem für Kompressoren oder Verdichter von Gasturbinentriebwerken zu schaffen und dabei die Nachteile der oben erwähnten bekannten Systeme zu vermeiden oder zu verringern.

Diese Ziele werden durch die Anordnung von Umfangsdurchlässen für den Ausstoß entnommener Druckluft im Gehäuse eines Gasturbinentriebwerks-Verdichters erreicht. Das Gehäuse weist an seiner Außenseite sich verjüngende Dichtoberflächen an entgegengesetzten Seiten der ^Jmfangsdurchlässe auf. Ein Ring, dessen innere Oberfläche sich entsprechend verjüngt und mit den Dichtflächen in Eingriff steht, schaltet die Entnahme bzw. den Ausstoß von Druckluft in der Schließstellung des Ringes ab. Es ist eine Vorrrichtung vorgesehen, die den Ring axial von den Durchlässen hinwegbewegt, um dem Kompressor Druckluft zu entnehmen.

Weitere Merkmale' der Erfindung bestehen in der Bildung einer stromaufwärts gelegenen Eingangskante der Durchlässe mit einer sanften Krümmung. Der Ring ist leicht ausgebildet und im wesentlichen von U-förmigem Querschnitt. Die Schenkel dieses U-förmigen Querschnittes sind im allgemeinen mit den Dichtflächen des Gehäuses in der Schließstellung des Ringes ausgerichtet. Hierdurch können hohe Dichtdrücke durch die Keilwirkung der sich verjüngenden konischen Oberflächen ausgeübt werden. Führungsmittel sind außerdem vorgesehen, um eine gleichmäßige Rundung des leichten Dihtringes sicherzustellen.

Diese und andere Merkmale der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieleszu entnehmen, welches rein schematisch in den Zeichnungen dargestellt ist.

Pig. I zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Gasturbinentriebwerks, in die die Erfindung eingebaut ist,

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Pig. 2 zeigt einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Entnahmesystems und

Fig. 3 zeigt eine Ansicht des gleichen Entnahmesystems von außerhalb des Triebwerksgehäuses betrachtet.

Das Triebwerk gemäß Fig. 1 enthält ein äußeres Gehäuse 10, welches aus verschiedenen Abschnitten zusammengesetzt sein kann. Luft tritt in den Einlaß an einem Ende des Gehäuses 10 ein und wird durch einen mehrstufigen Axialkompressor 12 unter Druck gesetzt. Die Druckluft trägt die Verbrennung von Brennstoff in einer Brennkammer I¹J, um einen heißen Gasstrom zu er-" zeugen. Ein Teil der Energie des heißen Gasstromes wird benutzt, um eine Turbine 16 anzutreiben. Der Turbinenläufer 18 ist durch eine Welle 20 mit dem Kompreseorlaufrad 22 verbunden. Die restliche Energie der heißen Gasströmung kann in eine Antriebskraft umgewandelt werden, indem der Gasstrahl aus einer Düse 2k ausgestoßen wird.

Vorstehend wurde ein typisches Gasturbinentriebwerk beschrieben, um die Umgebung des vorliegenden Entnahmesystems zu beschreiben, welches jedoch auf eine große Anzahl von Triebwerksarten anwendbar ist, wie der nachstehenden detaillierten Beschreibung dieses Systems zu entnehmen ist.

Wie vorher erwähnt, besteht die Wirkung eines Entnahme-Ausstoßsystems darin, den Druck an einem bestimmten Punkt oder Ort innerhalb der Gesamtlänge eines Kompressors zu reduzieren, um ein Abwürgen oder einen Stillstand während des Betriebs des Kompressors bei Bedingungen, die außerhalb des Auslegungspunktes liegen, zu verhüten. Das vorliegende System, dargestellt bei 25, entnimmt dem Kompressor Luft zwischen seiner vierten und fünften Stufe, wie aus Fig. 1 ersichtlich.

Die Fig. 2 und 3 zeigen das System mehr im einzelnen. Das Triebwerksgehäuse enthält einen Kompressor-Gehäuseabschnitt 26, wel-

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eher durch halbzylindrische Hüllen gebildet ist, die entlang einer Längs-Teilungslinie, nicht dargestellt, verbunden sind. Die Leitschaufeln 28 sind in Reihe auf den Umfang des Gehäuse- · abschnitte 26 befestigt und erstrecken sich von diesem einwärts. Laufschaufeln 30 erstrecken sich von dem Laufrad 22 zwischen die Reihen der Leitschaufeln 28.

Umfangsdurchlasse 32 sind in dem Gehäuseabschnitt 26 vorgesehen, unmittelbar stromabwärts von der vierten Stufe der Leitschaufeln 28. Der Eingang zu diesen Durchlässen ist an seinem, von den Leitschaufeln stromaufwärts gelegenen Ende leicht gekrümmt, um Wirbel- oder Turbulenzverluste zu verringern, wenn Luft dem Kompressor entnommen wird. Der stromabwärts gelegene Eingang der Durchlässe ist vorzugsweise mit einer relativ
scharfen Kante versehen, wie aus Fig. 2 zu entnehmen. Rippen 34 erstrecken sich zwischen den Umfangsdurchlässen, um dem Gehäuseabschnitt 26 die konstruktive Einheit zu geben. Die Breite dieser Rippen wird durch örtliche Erhöhung der Dicke des Gehäuses im Bereich der Umfangsdurchlässe 32 verringert. Die beschriebenen Umfangsdurchlässe ergeben die Möglichkeit, eine
maximale Menge Luft von dem Kompressor abzuziehen oder zu entnehmen, über eine minimale axiale Länge und mit einer minimalen Drosselung der ausgestoßenen Strömung.

Ein Dichtring 36 ist durch Segmente gebildet, welche durch
Bolzen 38 verbunden sind. Der Ring ist axial beweglich durch drei Betätigungsglieder 40, welche rund um das Gehäuse mit
gleichem Winkelabstand angeordnet sind (zwei Betätigungsglieder sind in Fig. 1 zu sehen). Die Betätigungsglieder sind auf einem Flansch 42 befestigt, welcher radial von dem Gehäuseabschnitt 26 vorsteht. Die Stößel 44 dieser Betätigungsglieder sind durch den Ring 36 mittels der Stifte 46 verbunden.

Der Ring ist im Querschnitt vorzugsweise U-förmig gestaltet, wie aus Fig. 2 ersichtlich, um das Gewicht zu verringern. Mit einer solchen Leichtbaukonstruktion ergibt sich eine Tendenz

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für den Ring,von der exakten zylindrischen Form abzuweichen. Um eine geeignete Zylinderform aufrecht zu erhalten, sind eine Anzahl von Flossen 48 vorgesehen, welche von den unteren Teilen der rückwärtigen Schenkel des U-förmigen Ringes vorstehen und auf Längsrippen 50 aufsitzen, welche an der äußeren Oberfläche der Gehäuseabschnitte angeformt sind. Die Flossen 48 und die Rippen 50 sind an und zwischen den Betätigungsgliedern mit ziemlich dichten Intervallen vorgesehen.

Die innere Oberfläche des Ringes ist konisch ausgebildet, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Ebenso ist die äußere Oberfläche des ^ Gehäuses auf entgegengesetzten Seiten der Umfangsdurchlässe ™ mit einem korrespondierenden Konus versehen. Dadurch werden ununterbrochene Dichtflächen gebildet, an denen der Ring 36 in seiner geschlossenen Stellung angreift, wie strichliert in Fig. 2 dargestellt. Die konischen Oberflächen ergeben eine Keilwirkung, welche eine positive Dichtung,ungeachtet irgendeiner Tendenz des Ringes oder des Gehäuses von der exakten zylindrischen Form abzuweichen, sicherstellen. Des weiteren liegen die Schenkel des U-förmigen Ringes im allgemeinen über den mit axialem Abstand voneinander angeordneten Dichtflächen, so daß erhebliche Keilkräfte von einer leichten Konstruktion aufgenommen werden können.

) Die Arbeitsweise des vorliegenden Entnahmesystems ist aus Vorstehendem ersichtlich. Der Ring 36 wird zwischen seiner offenen und geschlossenen Stellung durch die Betätigungsglieder 40 verschoben, welche durch irgendwelche geeigneten Mittel, die dem Fachmann bekannt sind, gesteuert werden können. Die geringe axiale Länge der Umfangsdurchlässe gestattet ein schnelles Ansprechen sewohl beim Offnen als auch beim Schließen, d. h. beim Durchlassen oder Abstellen der Entnähmeströmung. Die Bewegung des Ringes in eine Mittelstellung erlaubt einen Teil-Entnahme st rom? welcher, falle erforderlich, genau eingestellt werden kann.

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Obwohl die vorliegende Erfindung als Entnahme-Ausstoßsystem zwischen den Stufen eines mehrstufigen Kompressors beschrieben wurde, ist sie ebenso für eine Entnahme an anderen Stellen in Axialkompressoren mit einfachem oder auch mehrfachem Gehäuse anwendbar. Der Ort der Entnahme kann eine aerodynamische Punktion einer gegebenen Kompressorauslegung sein. Weitere Abwandlungen können selbstverständlich vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Ansprüche

V 1. ,gasturbinentriebwerk mit einem Axialkompressor und einem Entnahme-Ausstoßsystem, gekennzei chnet durch ein Gehäuse (26), welches die äußere Begrenzung des Luftströmungsweges durch den Kompressor bildet, mindestens einen Umfangs-Entnahmedurchlaß (32) in den Korn- < pressor, wobei das Gehäuse (26) an seiner Außenseite sich verjüngende Dichtflächen aufweist, welche sich auf gegenüberliegenden Seiten der Durchlässe befinden, einen Ring (36), welcher das Gehäuse (26) umgibt und eine innere Oberfc fläche aufweist, welche auf einem sich verjüngenden Teil gebildet ist, dessen Verjüngung derjenigen der Dichtflächen entspricht und mit diesen in der Schließstellung des Ringes (36), in der keine Entnahmeströmung fließt, in Eingriff kommt, und eine Betätigungsvorrichtung (40), durch die der Ring (36) axial zwischen einer geschlossenen und einer offenen Stellung verschiebbar ist, in der der Ring (36) nicht mehr mit den Durchlässen (32) fluchtet und wobei die Betätigungsvorrichtung (¹IO) den Ring (36) in seine Schließstellung mittels eines auf die Dichtflächen des Gehäuses (26) und des Ringes (36) ausgeübten Druckes preßt, verstärkt durch die Neigung der Dichtflächen.

W 2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die stromaufwärts gelegene Eingangskante der Umfangsdurchlässe (32) sanft gekrümmt ist, um StrömungsVerluste bei der Entnahme von Luft durch die Durchlässe zu verringern.

3· Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ring (36) von U-förmigem Querschnitt ist und die Schenkel desselben diesen im wesentlichen überdecken, d.h. auch die Dichtflächen an dem Gehäuse (26), wenn der Ring (36) sich in seiner geschlossenen Stellung befindet.

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4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Längsrippen (3²O» welche sich über die Urafangsdurchlasse (32) erstrecken und an dem Aufbau auftretende Kräfte zwischen den Teilen des Gehäuses (26) auf die entgegengesetzten Seiten der Durchlässe verteilen.

5· Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Ring (36) über dem Umfang mit Abstand voneinander angeordnete Vorsprünge (48) aufweist, welche sich von dem Ring und dem Gehäuse (26) erstrecken und in entsprechendem Abstand angeordnete Längsrippen (50) aufweisen, auf denen die Vorsprünge (48) aufsitzen und den Ring (36) im wesentlichen in zylindrischer Form halten.

6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5» dadurch gekenn zeichnet , daß die Vorrichtung für die Axialverschiebung des Ringes eine Anzahl von Betätigungsgliedern (40) enthält, welche auf der Außenseite des Gehäuses (26) befestigt sind und deren Stößel (44) mit dem Ring (36) verbunden sind und wobei die Betätigungsglieder (40) eine geringere Anzahl aufweisen als die Rippen (50) und die Vorsprünge oder Flossen (48).

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