DE3313321A1

DE3313321A1 - Abblasvorrichtung an einem mehrstufigen axialverdichter

Info

Publication number: DE3313321A1
Application number: DE19833313321
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Fricke; Fritz Dipl.-Ing. Homola; Manfred Dipl.-Ing. 6370 Oberursel Schwithal
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1983-04-13
Filing date: 1983-04-13
Publication date: 1984-10-18

Description

Abblasvorrichtung an einem mehrstufigen Axialverdichter

Die Erfindung betrifft eine Abblasvorrichtung an einem mehrstufigen Axialverdichter nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, insbesondere an Axialverdichtern, die in Gasturbinentriebwerken eingesetzt sind. Eine Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf eine Abblasvorrichtung an einem Axialverdichter, der in ein Zweikreisgasturbinentriebwerk integriert ist.

Moderne Turboverdichter, insbesondere in Gasturbinentriebwerken, sind in der Regel aerodynamisch hoch belastet, um aus Gewichtsgründen bei gegebenem Verdichtungsverhältnis und Luftdurchsatz mit einer möglichst geringen Anzahl von Verdichterstufen auszukommen, Von einer gewissen Größenordnung an werden ausschließlich Axialverdichter eingesetzt, deren Eigenschaft es ist, das mit der Höhe'der Belastung die Breite der Stufenkennfeider abnimmt. Es ist daher erforderlich, bei mehrstufigen Axialverdichtern eine sorgfältige Abstimmung der einzelnen Stufen zueinander vorzunehmen, damit im Nennarbeitspunkt die gewünschten hohen Werte von Druck, Luftdurchsatz und Wirkungsgrad auch

Klöckner-Huinboldt-Deutz AG

- 4 - 25.03.1983

■ D 83/017

erreicht werden. Als Abstimmungsgröße kann die spezifische Massenstromdichte am Eintritt einer jeden Stufe herangezogen werden:

C/st = (m ΠΤ. _ς. '.Κ)/(ρ. . - Α_ς.)

U,OU U,DU OU

In dieser Gleichung stellt in den Luftdurchsatz, T_fcst die Gesamttemperatur und P_tst den Gesamtdruck jeweils der Luft am Eintritt in die betrachtete Stufe, A_gt die durchströmte Fläche der jeweiligen Stufe und K eine Konstante dar, die das Verhältnis der spezifischen Wärmen von Luft und die Gaskonstante beinhaltet. Da auch A„. konstant ist, kann man verkürzend schreiben:

θ st * = const - m "V ^T _t,_st/^pt,St*

Diese Größe 0qt* darf ^nur ^ⁿ geringem Maße von ihrem Nennwert abweichen, maximal etwa + 3 %/ damit noch einwandfreier Betrieb gewährleistet ist. Wenn der Verdichter abweichend von seinem Auslegungspunkt betrieben wird, beispielsweise bei Drehzahlen, die kleiner oder größer als die Nenndrehzahl sind, so kann die spezifische Massenstromdichte jeweils in einzelnen Stufen des Verdichters unterhalb oder oberhalb des zulässigen Bereiches liegen.

Die obere Grenze der spezifischen Massenstromdichte wird auch als Stopfgrenze bezeichnet, weil in diesem Fall die kritische Geschwindigkeit erreicht ist, die einen weiteren Anstieg der Massenstromdichte nicht zuläßt. Die untere Grenze der spezifischen Massenstromdichte, die auch Abreißgrenze genannt wird, wird erreicht, wenn der Anströmwinkel zu Lauf- oder Leitrad der betreffenden Stufe sich so stark vermindert, daß die Strömung an den Schaufeln des

Klückner-Humboldl-Deulz AG

- 5 - 25.03.1983

D 83/017

entsprechenden Rades abreißt und sich nicht wieder anlegt. Bei Massenstromdichten, die unterhalb der Abreißgrenze liegen, ist ein stabiler Betrieb der Stufe nicht mehr möglich. Aber auch bei geringfügig größeren Werten der Massenstromdichte zeigen sich mitunter Instabilitäten, die als umlaufende Ablösung bezeichnet werden.

Zur Veranschaulichung der verschiedenen Zustände in einem mehrstufigen Axialverdichter kann man sich vorstellen, daß bei Teildrehzahlen, also Drehzahlen des Verdichters, die geringer als die Drehzahl im Nennarbeitspunkt sind, die Drucksteigerung in den einzelnen Stufen ebenfalls geringer wird. Dadurch ist die Massenstromdichte in den folgenden Stufen des Verdichters zunehmend größer als im Auslegungspunkt und so kann bei der letzten Stufe die Stopfgrenze erreicht werden. Als Folge davon wird der Durchsatz der ersten stufe vermindert und kann dort die Abreißgrenze erreichen oder zumindest in das Gebiet der umlaufenden Ablösung kommen, die in bestimmten Bereichen hoher Schaufelbelastung sektorfÖrmig zur Strömungsablösung führt.

Während die Stopfgrenze an sich keinen weiteren Nachteil mit sich bringt, außer das der Durchsatz des Verdichters nicht über diese Grenze hinaus gesteigert werden kann, ist bei Erreichen der Abreißgrenze mit Schwingungen an den Schaufeln zu rechnen, die zum Bruch derselben führen können. Bei hoch belasteten mehrstufigen Verdichtern zeigt sich fast immer bei mittleren Drehzahlen ein Bereich, in dem umlaufende Ablösung auftritt. Auch dieser Betriebszustand ist schadensträchtig und daher, zu vermeiden.

Klöckner-I lumboldt-Deute ΛΩ

- 6 - . 25.03.1983

D 83/017

Bei in Gasturbinentriebwerken eingesetzten Verdichtern kann bei heftiger Ausbildung des Abreißvorganges die gesamte im Gasturbinentriebwerk befindliche Gassäule derart in Schwingungen geraten, daß die Flamme in der Brennkammer auslöscht und damit das Triebwerk stillgesetzt wird. Dies muß auf jeden Fall vermieden werden. Selbst der Betrieb im Bereich der umlaufenden Ablösung ist nicht ganz ohne Probleme, denn beim Versuch der Beschleunigung des Gasturbinentriebwerkes nähert man sich im Kennfeld der Abreißgrenze der vorderen Stufen des Verdichters und das Gasturbinentriebwerk kann - trotz stark zunehmender Brennkammeraustrittstemperatur - bei seiner Drehzahl hängenbleiben, was wegen der hohen Gastemperaturen eine Gefährdung der Turbinenbeschaufelung bedeuten würde. Manchmal ist der Verlauf der Abreißgrenze selbst im mittleren Drehzahlbereich so stark eingeknickt, daß die von der Turbine aufgezwungene Arbeitslinie des Gasturbinentriebwerkes in den instabilen Bereich des Verdichters fällt, in dem kein Betrieb möglich ist.

Um bei mehrstufigen Axialverdichtern im Betrieb bei Teillast, also bei Teildrehzahlen, die Annäherung an die Abreißgrenze zu vermeiden, kann man den Luftdurchsatz in den vorderen Stufen m gegenüber jenem der hinteren Stufen m, . . dadurch auf einem höheren Wert halten/ daß man hinten

irgendwo zwischen ihnen eine bestimmte Menge

^A™ ⁼ "¹VOm - ^hinten

derart entnimmt, daß dieser Anteil beispielsweise durch öffnungen in der äußeren Gehäusewand bei Bedarf abgeführt wird. Durch diese Maßnahme erreicht man, daß selbst dann,

• JV EMT®.WW

Kiöcknor-I Iiimboldi-Drurt? AG

- 7 - 25.03.1983

D 83/017

wenn die letzte Verdichterstufe an der Stopfgrenze arbeitet, die erste Stufe im stabilen Bereich betrieben werden kann. In Bereichen, in denen eine Luftentnahme nicht erforderlich ist, also vor allem bei Drehzahlen in der Nähe der Auslegungsdrehzahl, müssen diese öffnungen verschlossen sein, damit kein unnötiger Verlust entsteht.

Es sind Abblasvorrichtungen für mehrstufige Axialverdichter bekannt, bei denen die Abblasmenge durch öffnungen in der äußeren Gehäusewand in einem Bereich, die zwischen den vorderen und hinteren Stufen liegt, abgeführt wird. Dabei sind auch bereits Anordnungen beschrieben worden, bei denen die öffnungen im Verdichtergehäuse durch ein flexibles Metallband verschlossen sind. Im Falle der Abblasung werden die beiden Enden des Metallbandes durch eine Verstellmechanik so auseinanderbewegt, daß sich eine Vergrößerung des vom Band beschriebenen Uinfangs ergibt. Durch den auf der Innenseite des Bandes im Bereich der öffnungen anliegenden gegenüber der Umgebung höheren Luftdruck wird das Band nach außen bewegt und damit die öffnungen für das Abblasen freigegeben. Soll nicht mehr abgeblasen werden, dann werden die Bandenden zueinander bewegt, bis das Band überall an den vorgesehenen Dichtstellen anliegt und die öffnungen verschlossen sind.

Der Anmeldungsgegenstand soll die grundlegende Aufgabe erfüllen, eine Abblasvorrichtung für Axialverdichter, insbesondere für den Einsatz in Gasturbinentriebwerken, bereitzustellen, die geringe Abmessungen und einfache, sichere Funktionsweise vereint und so gestaltet ist, daß zur Sicherstellung eines hohen Verdichterwirkungsgrades während des Abblasens die Luft gleichmäßig am Umfang ent-

Klöckner-Humboldt-Deutz AG

- 8 - 25.03.1983

D 83/017

nommen wird. Weitergehend ist die dem Anmeldungsgegenstand zugrundeliegende Aufgabe darin zu sehen, die Eignung einer solchen Abblasvorrichtung für Axialverdichter für einen Einsatz im inneren Strömungskreislauf von Zweikreisstrahl zu ermöglichen, wobei die Strömung des äußeren Strömungskreislaufes durch die Abblasvorrichtung zur Sicherstellung eines hohen Gesamttriebwerkwirkungsgrades möglichst wenig gestört werden soll.

Die Lösung besteht in· ihrem grundlegenden Teil in einer Abblasvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die bei geringem Bauaufwand mit nur einem Verstellorgan eine gleichmäßige und stufenlose Verschiebung der beiden Bandenden ermöglicht, und damit eine gleichmäßige Freigabe der öffnungen sicherstellt. Die vorgeschlagene Anordnung ist funktionsgerecht und platzsparend, wobei insbesondere bei der Verwendung in Gasturbinentriebwerken die geringe Stirnfläche von Vorteil ist, die mit der gewählten Anordnung des Verstellzylinders möglich wird. Die Anpassung an Zweikreisstrahltriebwerke ist mit einer Abblasvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gegeben, bei der mit einfachen Maßnahmen ein günstiger Strömungsverlauf im äußeren Strömungskreis sichergestellt wird. Hierbei kommt in besonders vorteilhafter Weise die geringe Stirnfläche der Verstellvorrichtung zum Tragen.

Die Merkmale der übrigen Ansprüche und die Art der Steuerung der erfindungsgemäßen Abblasvorrichtung werden anhand des Ausführungsbeispiels verdeutlicht, das eine Abblasvorrichtung für ein Zweikreisstrahltriebwerke mit einem Axialverdichter im inneren Strömungskreislauf zeigt, welche den vorgenannte Aufgaben genügt. Hierbei zeigt:

KIOcknet-HumboIdt-Deut? AG /Λϋ%Γ(3&.^ . ": · ϊ : "l· ':"":.": 33Ί332Ί

- 9 - 25.03.1983

D 83/017

Abb. 1 den Längsschnitt einer Abblasvorrichtung in einem Zweikreistriebwerk,

Abb. 2 einen achsnormalen Schnitt in der Ebene der öffnungen nach Abb. 1,

Abb. 3 eine Draufsicht der Abblasvorrichtung nach Abb. 1 und 2,

Abb. 4 ein Steuerungsscheina für die Abblasvorrichtung.

Abb. 1 zeigt den inneren Axialverdichter 1 und den äußeren Strömungskanal 2 eines Zweikreisgasturbinentriebwerkes. Hinter einer mittleren Stufe 3 des Axialverdichters 1 wird die Abblasluftmenge durch gleichmäßig am Umfang verteilte öffnungen 4 entnommen, wenn sich das verstellbare Metallband 6 in der gezeichneten Stellung befindet. Um eine Störung der Luftströmung im äußeren Kanal 2 zu vermeiden, wird die Abblasluftmenge durch Umlenkbleche 7 in die Richtung der Luftströmung des äußren Strömungskanals umgelenkt.. Zur Beendigung des Abblasens wird die Stellung der beiden Bandenden so aneinander angenähert, daß sich durch Durchmesserverringerung des Metallbandes 6 dieses fest auf die Dichtflächen 5 anlegt und damit das Abströmen von Luft hohen Druckes aus dem inneren Hochdruckkreis in den äußeren Niederdruckkreis verhindert.

In Abb. 2 ist das Metallband in geöffneter Stellung mit 6 und in Schließstellung mit 6' bezeichnet. Diese Veränderung der Bandstellung wird dadurch bewirkt, daß die Bandenden von 8 nach 8¹ und von 9 nach 9¹ bewegt werden.

Klöckner-Humboldt-Deutz AG /4Λ W^. ifti

~ 10 - 25.03.1983

D 83/017

Die Bewegung wird durch den Verstellzylinder 10 bewirkt, dessen Längsachse 11 parallel zur Verdichterachse 12 angeordnet ist, womit die Forderung nach geringer Störung des äußeren Strömungskreises erfüllt wird.

Abb. 3 läßt ergänzend zu Abb. 2 weitere Einzelheiten erkennen. Die Längsbewegung der Kolbenstange 13 des Verstellzylinders 10 wird über zwei Schubstangen 14 und 15 und zwei auf Lagerzapfen 16 und 17 gelagerte Winkelhebel 18 und 19 auf Gleitsteine 20 und 21 derart übertragen, daß die Gleitsteine eine Bewegung auf einer Tangente 22 an den Kreis, auf dem sich die Dichtflächen 5 befinden, vollziehen. Zur Sicherstellung der tangentialen Bewegung sind die Gleitsteine 20 und 21 in einer Führungsschiene 22 gelagert. An der unteren Seite der Gleisteine befinden sich Zapfen 23 und 24, um welche die Bandenden 8 und 9 herumgelegt sind. Um ein Verschieben des Metallbandes aus seiner normal zur Verdichterachse 12 gelegenen Bewegungsebene während des Abblasens zu verhindern, sind in regelmäßigen Abständen am Umfang des Metallbandes Führungsbleche 27 am Verdichtergehäuse angebracht.

Die Verstellkraft in dem Verstellzylinder 10, der pneumatisch oder hydraulisch bestätigt werden kann, wird beispielsweise durch das öl des Schmierölkreises des Triebwerkes oder durch den unter Druck stehenden Brennstoff erzeugt, wobei nach Abb. 4 Magnetventile 28 und 29 den Zulauf der Druckflüssigkeit über eine Druckleitung 32 und den Ablauf über eine Ablaufleitung 33 regeln. In weiterer Ausgestaltung erfolgt die Ansteuerung der beiden Magnetventile 28 und 29 von einer Regelschaltung 30, die das von einem mit der Kolbenstange 13 des Verstell-

Klückrier-Humholdl-DeutzAG

- 11 - " ** 25.03.1983

D 83/017

Zylinders 10 fest verbundenen Wegaufnehmer 31 erzeugte Signal mit einem von der Regelschaltung 30 vorgegebenen Signal vergleicht. Das Sollsignal kann einer vom Hauptregler des Triebwerks gelieferten der Drehzahl

.05 proportionalen Spannung zugeordnet sein und so beeinflußt werden, daß Beginn und Ende des Schließvorganges der . Abblasvorrichtung bestimmten festen Drehzahlen des Triebwerkes zugeordnet sind, während bei Drehzahlen_f die zwischen diesen beiden Endpunkten liegen, ein ent-

.10 sprechender Weg der Kolbenstange 13 proportional eingestellt wird. Wenn das vom Wegaufnehmer 31 gelieferte Istsignal größer ist, als das der Drehzahl entsprechende Sollsignal,, so wird das Zulaufmagnetventil 28 geöffnet und die Druckflüssigkeit wirkt auf den Kolben des Verstell-Zylinders 10, womit die Kolbenstange 13 und der Wegaufnehmer 31 im sinne des Schließens der Abblasvorrichtung bewegt wird, bis Übereinstimmung der Signale eintritt. Ist das vom Wegaufnehmer 31 gelieferte Istsignal kleiner als das der Drehzahl entsprechende Sollsignal, so wird das Entleerungsmagnetventil 29 von der Regelschaltung angesteuert, womit Druckflüsssigkeit aus dem Verstellzylinder 10 entweichen kann und die Kolbenstange sich im Sinne des öffnens der Abblasvorrichtung bewegt, bis die Signale übereinstimmen.

Das öffnen wird durch die in dem Verstellzylinder angeordnete Feder bewirkt und durch die auf das Metallband wirkende Druckdifferenz unterstützt. Je nach Anwendungszweck des erfindungsgemäßen Axialverdichters können sich auch andere Möglichkeiten der Steuerung anbieten.

Claims

■Clöckner-Hi.irnb'jidi· Dotite AG

5000 Köln 80, den 25. März 1983

Unser Zeichen: D 83/017 AE-ZPB Bü/Nm/Bi

P a tentansprüche

IJ Abblasvorrichtung an einem mehrstufigen Axialverdichter, mit öffnungen im Verdichtergehäuse, die am Umfang im Bereich einer mittleren Verdichterstufe gleichmäßig angeordnet sind, und mit einem flexiblem, flachen Metallband, das durch Veränderung des radialen Abstandes die öffnungen im Verdichtergehäuse öffnet oder schließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstsllzylinder (10) mit einer Kolbenstange (13) achsparallel am Verdichtergehäuse angeordnet ist und daß die Kolbenstange (13) über ein symmetrisches Doppelgestänge mit den tangential zum Verdichtergehäuse verschiebbaren Enden (8, 9) des Metallbandes (6) verbunden ist.
2. Abblasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einer Tangentialebene zum Verdichtergehäuse verschwenkbare Schubstangen (14, 15) einzeln am Kopf der Kolbenstange (13) angelenkt sind, daß die Schubstangen (14, 15) mit ihrem anderen Ende jeweils an einem Winkelhebel (18, 19) mit einer Klaue angreifen, daß die Klauen der Winkelhebel (18, 19) jeweils mit einem senkrecht zur Kolbenstange (13) in der Tangentialebene geführten Gleitstein (20, 21) im Eingriff sind und daß die Gleitsteine (20, 21) eine gemeinsame Führungsschiene (22) aufweisen und jeweils mit einem Ende (8, 9) des Metallbandes (6) verbunden sind.

Klörkner-l· lumboldt-Deutz AG

- 2 - 25.03.1983

D 83/017
3. Abblasvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallband (6) an seinen Enden (8, 9) jeweils in Schlaufen um Zapfen (23, 24) an den Gleitsteinen (20, 21) gelegt ist und daß das Metallband

(6) durch einzeln am Umfang des Verdichtergehäuse angeordnete Führungsbleche (27) gegen seitliches Verschieben gesichert ist.
4. Abblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für im inneren Strömungskreis eines Zweikreisgasturbinentriebwerks eingesetzte Axialverdichter, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtergehäuse im Bereich der Abblasvorrichtung zugleich die Wandung des äußeren Strömungskreises (2) bildet und daß anströmungsseitig am Verdichtergehäuse befestigte Umlenkbleche (7) das Metallband (6) zumindest im Bereich der öffnungen (4) mit Abstand umschließen.
5. Abblasvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegaufnehmer (31) achsparallel neben dem Verstellzylinder (10) am Verdichtergehäuse angeordnet ist, dessen Aufnehmerstan.ge mit der Kolbenstange (13) des Verstellzylinders fest verbunden ist. 25