DE3036525A1

DE3036525A1 - Einlassteilchenabscheidersystem fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3036525A1
Application number: DE19803036525
Authority: DE
Inventors: William Ipswich Mass. Steyer; Barry Georgetown Mass. Weinstein
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-10-01
Filing date: 1980-09-27
Publication date: 1981-04-16
Also published as: CA1136866A; FR2466617A1; IT1133141B; JPS5664122A; GB2058929A; IL61028A0; US4265646A; IT8024868A0

Description

Einlaßteilchenabscheidersystem für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk und betrifft insbesondere ein System zum Entfernen oder Abscheiden von Fremdteilchen aus dem gasförmigen Fluid, das in dem Primärströmungsweg eines Gasturbinentriebwerks strömt.

Gasturbinentriebwerke, insbesondere Turbowellengasturbinentriebwerke, wie sie bei Hubschraubern benutzt werden, können Fremdteilchen ansaugen. Diese Tendenz besteht bei der Vielfalt von rauhen Umgebungen, in denen das Fahrzeug arbeitet. Sand aus Wüsten, Salz aus Ozeanen und Laub aus tropischen Umgebungen stellen für das Triebwerk eine potentielle Gefahr dar und können dessen Leistungsfähigkeit verschlechtern.

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Die Probleme, die durch das Einsauge¹"¹ von Fremdteilchen. in ein Gasturbinentriebwerk hervorgerufen werden, sind bekannt und es sind bereits Versuche unternommen won .1, um Vorrichtungen zu schaffen, die Fremdteilchen abscheiden, bevor das gasförmige Fluid, nämlich Luft, den inneren Abschnitten des Triebwerks zugeführt wird. Eine bekannte Lösung, die sich zur Lösung dieser Aufgabe als besonders geeignet erwiesen hat, ist die Teilchenabscheider- und Schnockenreinigungsvorrichtung, welche aus der US-PS 3 8V-> 086 bekannt ist. Der in dieser "Patentschrift bosc:ir-^!ebene Teilchenabscheider verleibt den "'eilchen eine radiale Geschwindigkeitskomoonente i^r>- einer Richtung weg von dem inneren Verdichterluftstromelnlaß. Die Teilchen wert.'i-n von der". VerdichtereinlaQ weg- und in eine Samme1-kanniior geleitet. Ein Gebläse ist vorgesehen zum Aufbauen eine:? Unterdrucks, der die Teilchen pvs der Samme!kammer saugt. Dieses "^eilchenabscheidesysten hat sich beim Verhindern einer Beschädigung der inneren Triebwerksteile als insgesamt zufriedenstellend erwiesen. Die Verwendung eines Gebläses zum Aufbauen eines Un'. erdrück s zum Entfernen eier Teilchen aus der Sammelkammer hat jedoch zusätzliches Gewicht und zusätzliche Kosten des Systems mit sich gebracht. Darüber hinaus muß das Gebläse periodisch gewartet, repariert oder anderweitigen Wartungsprozeduren unterworfen v/erden, die zu zusätzlichen Kosten des Triebwerksbetriebes führen.

Ein aus der US-PS 3 76 6 719 bekanntes weiteres Teilchenabscheidersystem erzeugt eine Saugwirkung zum Entfernen der Teilchen aus der Abscheidersamme!kammer, indem den Triebwerksabgasen gestattet wird, an einer Düse vorbeizuströmen, die durch Leitungen mit der Sabine !kammer verbunden ist. Eine auf die.se Weise benutzte üüsu wird als Ejektor bezeichnet. Der gemä°. dieser Patentschrift benutzte Ejektor gibt den Luftstrom in einer Richtung e , die zu der Richtung der in dem Kauptströmungsweg strömenden Abgase insgesamt parallel ist. Bei paralleler Abgabe werden der Ej ektorluftstrom und die Abgase nicht sofort vermischt und der

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Abgaskanal des Triebwerks muß sich über eine wesentliche Strecke stromabwärts der Stelle erstrecken, an der der Ejektor zu den Abgasen angeordnet is':, um den beiden Luftströmen zu gestatten, sich zu vereinigen und einen ausreichenden Unterdruck zu erzeugen. Bei stromabwärts des Auslaßdiffusors des Triebwerks angeordnetem Ejektor ist das potentielle Ausmaß an erzeugtem Unterdruck begrenzt und der Abgaskanal muß beträchtlich verlängert werden, damit der Unterdruck erzeugt werden ':an.i. Das Anordnen des Ejektors stromaufwärts des Dif-^usors erfordert trotzdem die Verwendung einer Verlängerung des Kanals vorderhalb des Diffusors, da der Diffusor den Fluidstrom nicht expandiert und verlangsamt, wenn nicht die Saugluft mit den Hauptstroipgasen gut vereinigt ist. In jedem Fall erhöht die Verwendung einer größeren Kanallänge zum Erzeugen einer ausreichenden Ejektorsaugwirkung die Kosten, das Gewicht und die Länge des Triebwerks. Da der Kanal wenig oder keine Wartung erfordert, werden bei dieser Lösung die mit der Wartung eines Gebläses verbundenen Kosten vermieden. Das zusätzliche Gewicht und die zusätzlichen Kosten, die sich durch den längeren Kanal ergeben, sind jedoch unerwünscht. Weiter können die zusätzlichen Vergrößerungen der Gesamtlänge des Triebwerks aufgrund der zusätzlichen Kanallänge selbst das Triebwerk für Fahrzeugverwendungszwecke, bei denen ein begrenzter Triebwerksplatzbedarf gefordert wird, ungeeignet machen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Fremdteilchenabscheidersystem für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen.

Das Fremdteilchenabscheidersystem nach der Erfindung soll einen Ejektor haben und mit den Triebwerkserfordernissen niedrigen Gewichts, hoher Zuverlässigkeit und kompakter Länge kompatibel sein.

Diese und weitere Ziele sowie Vorteile, die sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ergeben, werden

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durch die Erfindung erreicht_r die, kurz gesagt, in einer Aus£ührungsform ein. Einlaßteilchenabscheidersystem für die Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk schafft, C. as einen Einlaß, einen Verdichter, einen Brenner und eine Turbine hat, welche in Betriebsverbindung stehen, um einen Primärströmun'rsweg zu bilden, in welchem ein Strom gasförmigen Fluids verdichtet, verbrannt und expandiert wird. Das System weist eine nahe dem Triebwerkseinlaß angeordnete Vorrichtung zum Entfernen von Fremdteilchen aus dem HauOtströmungsweg auf. Eine Leitungsanordnung verbindet die Abscheidevorrichtung mit der Ejektorvorrichtung, so daß ein zweiter Strom gasförmigen Fluids in der Leitung zum Hindurchsaugen von Fremdteilchen durch die Leitung und zum Wegsaugen von der Abscheidevorrichtung erzeugt wird. Mischvorrichtungen sind stromabwärts der Turbine angeordnet und mit der Leitungsanordnung verbunden, um den zweiten Fluidstrom zu empfangen und diesen mit dem Strom des in dem HauptStrömungsweg strömenden Fluids zu vermischen. Die Ejektorvorrichtung kann auf den expandierten Fluidstrom ansprechen und einen ersten sowie einen zweiten Ejektor enthalten, die auf den expandierten Fluidstrom bzw. den komprimierten Luftstrom ansprechen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarsteilung eines Gasturbinentriebwerks mit dem Fremdteilchenabscheidersystem nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines stromabwärtigen Teils des Triebwerks von Fig. 1 und

Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung, die sich von der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform unterscheidet.

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In Fig. 1 ist ein schematisch dargestelltes Gasturbinentriebwerk, welches das Fremdteilchenabscheidersystem nach der Erfindung enthält, insgesamt mit der Bezugszahl "¹O bezeichnet. Das Triebwerk 10 erstreckt sich insgesamt axial längs der Triebwerksmitteilir.i'o oder -achse X-X und hat ein Gehäuse 12, das an seinem vorderen Ende offen ist und einen kreisringförmigen Einlaß *4 bildet. Das gasförmige Fluid (oder Luft), das in das "riebwerk 10 über den Einlaß 14 eintritt, geht der Reihe "ach durch den Verdichter 16, in welchem die Luft komprimiert wird, und von diesem aus zu dem Brenner 18, in welchem die Luft mit Kra.tstoff vermischt und verbrannt wird. Die heißen Verbrennungsgase, die mit hoher Geschwindigkeit aus de™. Brenner 18 austreten, gehen nacheinander durch eine HD-Turbine 20 und eine ND-Turbine 22, in denen die Gase expandiert werden, um ihnen Energie ^r/u entnehmen. Die den heißen Ga.?^n durch die Turbine 20 entnommene Energie Meiert die Antriebskraft für den Verdichter 16, der piit der Turbine 20 durch eine V'ellc? 2 4 verbunden ist. Die den heißen Gasen durch die Turbine 22 entnommene Energie liefert die Antriebskraft fv-r die I'.nupttriebwerksantriebswelle 26, welche Leistung an einen Energieverbraucher, wie beispielsweise ein nicht gezeigtes Hubschrauberrotorsystem, abgibt. Nach dem Verlassen der Turbine 2 2 gehen die heißen Verbrennungsgase durch den Triebwerksabgaskanal 27 hindurch, welcher einen Diffusor 28, in welchem die Gase expandiert werden, und durch einen Triebwerksauslaß 30 hindurch. Es ist zu erkennen, daß der Einlaß 14, der Verdichter 16, der Brenner 18, die "'urbinen 20 und 22 und der Diffusor 28 in Hetriebsvei— bindung stohen, so daß sie einen ringforma yen HauptsLromungsweg 32 durch das Triebwerk 10 von dem Einlaß ¹4 zu dem Auslaß 30 bilden. In dem Strömungsweg 32 wird der Strom gasförmigen Fluids nacheinander verdichtet, verbrannt, expandiert, ausgebreitet: und in dl ο Atmosphäre ausgestoßen. Da der Gesamtbetrieb c'nes Gasturbinentriebwerks 10 dem Fachmann geläufig ist, dürfte sich eine wei-

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tere Beschreibung desselben zum vollen Verständnis der Erfindung erübrigen.

Eine Vorrichtung in Form eines Einlaßteilchenabscheiders, der insgesamt mit 34 bezeichnet ist und zum Entfernen von Fremdteilchen aus dem Hauptströmungsweg 32 dient, ist zwischen dem Einlaß 14 und dem Verdichter 16 angeordnet. Luft, die durch den Einlaß 14 hindurchgeht, trifft in dem Strömungsweg 32 insgesamt an einer Stelle 36 auf eine radial nach außen gekrümmte Biegung. Die radial nach außen gekrümmte Biegung in dem Strömungsweg 32 bewirkt, daß der Luftstrom, welcher Fremdteilchen mit sich führt, teilweise in eine Richtung gelenkt wird, die von der Triebwerksmittellinie X-X radial nach außen gerichtet ist. Unmittelbar stromabwärts der Stelle 36 biegt der Hauptströmungsweg 32 scharf radial nach innen zu der Mittellinie X-X um. Die Luft in dem Strom wird radial nach innen umgelenkt und folgt dem Strömungsweg 32. Die Teilchen, die schwerer als die Luft in dem Strom sind und eine beträchtliche kinetische Energie haben, werden sich jedoch weiterhin radial nach außen bewegen.

Der Abscheider 34 enthält weiter einen sich in Umfangsrichtung und axial erstreckenden ringförmigen Durchlaß 38, der von dem Hauptströmungsweg 32 unmittelbar stromabwärts der Stelle 36 zu einer sich umfangsmäßig erstreckenden ringförmigen Sammelkammer 40 führt. Teilchen, die durch die vorgenannte, radial nach außen gekrümmte Biegung in dem Strömungsweg 32 radial nach außen getrieben werden, wie es vorstehend beschrieben worden ist, werden in den Durchlaß 3 8 eintreten und sich in der Sammelkammer 40 absetzen. Eine Leitungsanordnung in Form von zwei Leitungen 42, die mit der Sammelkammer 40 des Teilchenabscheiders 34 in Fluidverbindung steht, erstreckt sich axial stromabwärts zu einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Sammelleitung 44.

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Fig. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht des stromabwärtigen Teils des Triebwerks 10. Es ist zu erkennen, daß die Mischvorrichtung in Form eines in dem Strömungsweg 32 angeordneten, im Querschnitt gelappten Mischers 45 einen gewellten Aufbau hat. Der Mischer 45 hat eine erste Anzahl von sich axial und radial erstreckenden Rinnen 48 in Fluidverbindung mit der Sammelleitung 44, wobei diese Rinnen zwischen einer zweiten Anzahl von sich axial und radial erstreckenden Rinnen 50 angeordnet sind. Das gasförmige Fluid, das in dem PrimärStrömungsweg 32 strömt, geht durch die Rinnen 50 hindurch. Ejektorvorrichtungen in Form von Rinnenauslässen 46 sind in der Auslaß- oder Abgleichebene der Rinnen 48 und 50 vorgesehen. Insbesondere ermöglicht eine sorgfältige Auswahl des Auslaßebenenflächeninhalts der Rinnenauslässe 46 das Erzielen der Ejektorwirkung. Im allgemeinen wird die Auswahl eines besonderen Auslaßebenenflächeninhalts von den Luf tströ. .ungseigenschaf ten des betreffenden Gasturbinentriebwerks abhängig sein, bei dem die vorliegende Erfindung angewandt wird.

Die Ejektorvorrichtung 46 spricht auf das in dem Primärströmungsweg 32 strömende gasförmige Fluid an und ruft einen zweiten Strom gasförmigen Fluids in den Leitungen 42 zum Hindurchsaugen von Teilchen durch die Leitungen 42 und weg von dem Abscheider 34 hervor. Insbesondere erzeugt das gasförmige Fluid, das in dem PrimärStrömungsweg 32 mit einer hohen Geschwindigkeit strömt, einen niedrigen Druck an den Rinnenauslässen 46, wodurch ein zweiter Strom gasförmigen Fluids in der Leitung 42 hervorgerufen wird. Das Arbeitsprinzip der Ejektorvorrichtung 46 stimmt mit dem von bekannten Ejektoren (Strahlpumpen) überein, weshalb sich eine ausführliche Beschreibung dieses Arbeitsprinzips für ein volles Verständnis der Erfindung erübrigen dürfte.

Aufgrund der Rinnen 48, die zwischen den Rinnen 50 in der oben beschriebenen Weise abwechselnd angeordnet sind, werden mehrere diskrete Teilströme, die aus den Rinnen 48 austreten, zwischen mehreren diskreten Teilströmen, die aus den Rinnen 50 austreten, abgegeben. Auf diese Weise werden

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der erste und der zweite Fluidstrom in der Abgleichebene, d.h. in der Ebene, in der die Rinnenauslässe bündig sind, in dem stromabwärtigsten Bereich des Mischers 45 vermischt. Das Vorhandensein des Mischers 45 fördert weiter eine zusätzliche Vermischung stromabwärts der Abgleichebene. Insbesondere schafft der lange gewellte umfang 52 des Mischers 45 in der Abgleichebene eine große Grenzfläche sowie große Gesamtscherkräfte zwischen benachbarten Teilströmen. Aufgrund der großen Scherkräfte, die durch den groi-in Umfang 52 hervorgerufen werden, erfolgt eine geeignete Vermischung zwischen benachbarten Teilströmen in einem Minimum an Zeit und auf einer minimalen Strecke während der Strömung stromabwärts von dem Mischer 45.

Das vorstehend beschriebene Vermischen des in dem Primärströmungsweg 32 strömenden gasförmigen Fluids mit dem durch den Ejektor 46 hervorgerufenen zweiten Fluidstrom ermöglicht, daß die Länge des Triebwerksabgaskanals 2 7 kürzer ist als die zum Stand der Technik gehörenden Abgaskanäle. Insbesondere erfüllt der Diffusorabschnitt 28 des Abgaskanals 27 eine Diffusorfunktion mit akzeptabler Wirksamkeit nur dann, wenn das hindurchströmende gasförmige Fluid im wesentlichen gleichförmige Geschwindigkeits-, Druck- und Temperaturprofile hat. Der Mischer 45 erleichtert das Erzielen der erforderlichen Profile durch Schaffung abwechselnder Teilströme des zweiten Fluidstroms und des Fluids in dem Strömungsweg 32. Das anfängliche Vermischen der Teilströme in der Abgleichebene und das anschließende Vermischen an der Teilstromgrenzfläche ermöglicht, das Vermischen in einer kürzeren Zeit und auf einer kleineren Strecke als in den bekannten Abscheidersystemen zu erreichen, weshalb die große Längsausdehnung des Kanals, die bei den bekannten Vorrichtungen vorgesehen ist, zwischen dem Ejektor 45 und dem Diffusor 28 nicht vorgesehen zu werden braucht. Die Verwendung des Mischers 45 gemäß der Erfindung beseitigt die bei diesen bekannten Vorrichtungen vorhandenen Nachteile.

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Bezüglich weiterer Aspekte der Erfindung zeigt Fig. 3 eine Ausführungsform in Ergänzung zu der Ausführungsform von Fig. 1. Insbesondere zeigt Fig. 3 eine schematische Ansicht des Verdichters 16 von Fig. 1, wobei ein Ejektor 54 in der Leitung 42 angeordnet ist, der auf verdichtete Luft anspricht, die aus dem Verdichter 16 abgezapft wird. Der Ejektor 54 kann anstelle des Ejektors 46 benutzt werden, der mit den expandierten Gasen betrieben wird, oder kann zusätzlich zu dem Ejektor 46 benutzt werden, um einen zusätzlichen Unterdruck zum Absaugen von Teilchen aus der Sammelkammer 40 zu schaffen. Der Ejektor 54 enthält ein Steuerventil 56 zum Steuern der Menge an aus dem Verdichter 16 abgezapfter Luft und damit zum Steuern des Fluidstroms durch die Leitung 42 zum Verbessern des Wirkungsgrades des Gasturbinentriebwerks 10. Der Ejektor 54 kann außerdem benutzt werden, um den Strom von Abzapfluft zu unterbrechen, wenn das Fahrzeug in demjenigen Teil seiner Mission ist, in welchem eine Fremdteilchenabscheidung unnötig ist. Darüber hinaus sieht die Erfindung die Verwendung eines Steuerventils 58 vor, das in der Leitung 42 angeordnet ist, um den Luftstrom durch die Leitung 42 zu beeinflussen und dadurch den Wirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks 10 zu erhöhen. Das Steuerventil 58 kann außerdem benutzt werden, um den Luftstrom durch die Leitung 42 zu unterbrechen, wenn eine Teilchenabscheidung nicht erforderlich ist, beispielsweise in Umgebungen in großer Höhe.

Es sind zwar die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt worden, im Rahmen der Erfindung bietet sich jedoch dem Fachmann eine Vielzahl von Abwandlungs- und Änderungsmöglichkeiten. So ist beispielsweise zwar der hier beschriebene besondere Mischer ein Mischer mit Rinnen oder ein im Querschnitt gelappter Mischer, die Erfindung umfaßt jedoch Mischvorrichtungen, zu denen Wirbelerzeuger, Jnjektionsmischer, Turbulenzverbesserer und

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andere Vorrichtungen gehören, mittels welchen versucht wird, das Vermischen eines ersten Fluidstroms mit einem zweiten Fluidstrom, in den der erste Strom eingeleitet wird, zu verbessern.

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Claims

Ansprüche :

Einlaßteilchenabscheidersystem für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Einlaß, einem Verdichter, einem Brenner und einer Turbine, die in Betriebsverbindung stehen und einen Hauptströmungsweg bilden, in welchem ein Strom gasförmigen Fluids verdichtet, verbrannt und expandiert wird, gekennzeichnet durch:

eine Vorrichtung (34), die nahe dem Einlaß (14) angeordnet ist, um Fremdteilchen aus dem Hauptströmungsweg (32) abzuscheiden;

eine Leitungsanordnung (42), die mit der Teilchenabscheidevorrichtung (34) verbunden ist, um di-3 aus dem Hauptströmungsweg durch die Abscheidevorrichtung entfernten Teilchen aufzunehmen;

eine Ejektorvorrichtung (46), die einen zweiten Strom gasförmigen Fluids in der Leitungsanordnung erzeugt, um die Teilchen durch die Leitung und von der Abscheidevorrichtung wegzusaugen, und

eine Mischvorrichtung (45) , die stromabwärts der Turbine und in Fluidverbindung mit der Leitungsanordnung angeordnet ist, um den zweiten Fluidstrom zu empfangen und ihn

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mit dem Strom des in dem Haup'-.strömu'igsweg strömen-" e-λ Fluids zu vermischen.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, cap. die Ejektorvorrichtung (46) au:" den expandierten Fluidstrom anspricht.
3. System nach Anspruch 1 odor 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ejektorvorrichtung (4G) einer, ersten und einen, zweiten Ejektor (43, 50) enthalt, die auf den expandierten F.luidstrom bzw. den verdichteten Fluidstrom ansprechen.
4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ejektorvorrichtung (54) auf den verdichteten Fluidstrom anspricht.
5". System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (5S) zum Beeinflussen des zweiten FluidsLroms in der Leitungsanordnung (42).
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Mischvorrichtung (45) den zweiten Fluidstrom in den tlauptstromungsweg in mehreren diskreten Teilströmen abgibt.

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