DE60221403T2

DE60221403T2 - Doppelstrom - verdichter

Info

Publication number: DE60221403T2
Application number: DE60221403T
Authority: DE
Inventors: Mario Laval MODAFFERI
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: CA2458550C; CA2729130C; CA2729130A1; DE60221403D1; EP1421257B1; JP4012507B2; US6578351B1; EP1421257A1; WO2003018960A1; CA2458550A1; JP2005500459A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinenkompressoren und insbesondere Erfassen von Luft von einer Kompressorspitze für Hilfsverwendungen. Genauer gesagt betrifft sie Verwenden des Angebots an erfasster Luft für das passive Kühlen einer Hilfsenergieeinheit.
Hintergrund der Erfindung
Gasturbinenmaschinen-Energieerzeuger werden in der überwiegenden Mehrheit der heute fliegenden Flugzeuge verwendet. Die meisten großen kommerziellen Flugzeuge weisen eine Hilfsenergieeinheit (auxiliary power unit, APU) auf, im Allgemeinen eine kleine Gasturbinenmaschine, die oft in dem hinteren Heckabschnitt des Flugzeugs angebracht ist, welche elektrische Energie und Druckluft für Flugzeugumgebungssteuersysteme bereitstellt, wenn das Flugzeug auf dem Boden ist, und die auch verwendet wird, um die Hauptmaschinen des Flugzeugs zu starten. APUs benötigen externes Kühlen und sind mit Öl geschmiert, das im Allgemeinen von einem luftgekühlten Ölwärmetauscher gekühlt wird.
Aktive Kühlsysteme werden meistens verwendet, um diese Kühlluft bereitzustellen, und bestehen typischerweise aus einem Bläser, der verwendet wird, Luft durch den Ölkühler und über Komponenten der Hilfsenergieeinheit zu treiben. Diese Bläser werden von der APU durch relativ komplexe Wellen- und Getriebeanordnungen mit hohen Drehzahlen angetrieben. Die mechanische Komplexität und die hohen Betriebsdrehzahlen dieser Bläser erhöhen die Möglichkeit des Versagens des Kühlsystems, was schließlich zur Abschaltung der APU führen würde. Aktive Bläserkühlsysteme reduzieren deshalb die Zuverlässigkeit einer Hilfsenergieeinheit wesentlich und fügen beträchtliche Kosten und Gewicht hinzu. Obwohl es verschiedene passive Kühlsysteme gibt, erfordern sie oft Führen von Luft aus dem Äußeren des Flugzeugs und sind nicht im Stande, verdichtete Luft für andere Verwendungen bereitzustellen.
Verschiedene Systeme sind bekannt, die verwendet werden, Kompressorluftströmung zu trennen. US Patent 5,357,742 , am 25. Oktober 1994 an Miller erteilt, offenbart zum Beispiel Dosieren von Kühlluft, die durch ein Turbostrahllaminarströmung-Gondelsystem abgegeben wird, um das Kernmaschinenabteil zu kühlen. Von dem Eingang zu dem Kernmaschinenkompressor abgeleitete Luft treibt eine Turbokompressorpumpe an, die Kühlluft durch das Laminarströmung-Gondelsystem und in einen die Maschine umgebenden Verteiler saugt. Dieses System hat den Nachteil, eine separate Pumpe zu erfordern, um die verdichtete Kühlluft bereitstellen.
Trennen von Luftströmung aus dem Ausgang eines zentrifugalen Kompressors ist auch bekannt. In US Patent 2,696,074 , am 2. Januar 1953 an Dolza erteilt, wird ein Maschinen- und Drehmomentkonverter-Kühlsystem mit einem zweistufigen Verdichter und einem ringförmigen Diffusor offenbart. Luft wird aus der Hauptluftströmung in beide Verdichterstufen abgeleitet. Eine oder beide der Verdichterstufen können arbeiten. Zwei separate Diffusoreinlassdüsen nehmen Luft von jeweils einer Verdichterstufe auf und führen sie zwei Diffusorkammern zu, wobei eine vorgesehen ist, den Drehmomentkonverter zu kühlen, und die andere vorgesehen ist, die Maschine zu kühlen. Die Einlassluftströmung zu dem Verdichter ist von seinem Einlass getrennt und ist selektiv zu einem oder beiden Verdichterstufeneinlässen geführt.
Passive Kühllösungen, insbesondere für Hilfsenergieeinheiten, sind zahlreich. US Patent 6,092,360 , am 25. Juli 2000 an Hoag et al. erteilt, offenbart ein passives APU-Kühlsystem, in dem Kühlluft in das Maschinenabteil durch eine in dem hinteren Teil des Flugzeugs positionierte Öffnung gesaugt wird. Ein vor dem Abgaskanal der Maschine angebrachter Ejektor saugt Abteilluft durch den Ölkühler, was wiederum atmosphärische Luft durch die Hecköffnung einsaugt.
Deshalb gibt es, obwohl es Verfahren des Ölkühlens und des unter Druck Setzens des Abteils von Hilfsenergieeinheiten gibt, die aktive Kühlsysteme beseitigen, einen Bedarf für ein in die APU eingebautes passives Kühlsystem, das im Stande ist, verdichtete Luft zum Kühlen und für andere Verwendungen bereitzustellen. Obwohl einige Versuche gemacht worden sind, Kompressoren als eine Quelle von Kühlluft zu verwenden, verwendet keiner den Maschinenkernkompressor für ein Kühlsystem, das kein zusätzliches Führen von Kühlluft aus dem Äußeren des Flugzeugs erfordert.
DE-A-2344023 offenbart einen turboaufgeladenen Kompressor mit zwei Auslässen, wobei ein Kragen die Luftströmung von einem Rotor in entsprechende Pfade zu den Auslässen trennt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kühlluft von dem Kompressor einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen, um sie für einen anderen Zweck als Energieerzeugung zu benutzen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anforderungen des Kühlens und des unter Druck Setzens des Abteils einer Hilfsenergieeinheit in einem Flugzeug zu erfüllen.
Deshalb ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gasturbinenmaschinenkompressor vorgesehen, wie er in Anspruch 1 beansprucht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Kombination mit den angehängten Zeichnungen deutlich werden, wobei:
1 ist ein schematischer axialer Schnitt einer Gasturbinenmaschine mit einem Kompressor gemäß der vorliegenden Erfindung.
2a ist eine axiale Schnittansicht des axialen Kompressors einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2b ist eine Querschnittsansicht einer Rotorschaufel entlang Linie 2b-2b in 2a.
3a ist eine axiale Schnittansicht des axialen Kompressors einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem mit teilüberspannenden Krägen ausgebildeten Rotor.
3b ist eine Querschnittsansicht der Rotorschaufel, entlang Linie 3b-3b in 3a genommen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt eine Hilfsenergieeinheit-Gasturbinenmaschine 8, aufweisend einen Kompressorbereich 10 der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 2a hat der Kompressorbereich 10 Grundbestandteile, im Allgemeinen aufweisend einen Rotor 12, einen Stator 14 und einen Verdichter mit radialer Ausströmung 27. Zum Zwecke der Veranschaulichung zeigen 2a und 3a einen Kompressor mit einer einzelnen axialen Stufe und einer einzelnen zentrifugalen Stufe. Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist jedoch auf viele Formen von Kompressoren anwendbar, zum Beispiel auf jene mit einzelnen Stufen oder Kombinationen von jeglicher Anzahl von axialen und zentrifugalen Stufen.
Die Rotoranordnung 12 rotiert axial um die zentrale Achse der Maschine und dient im Allgemeinen dazu, die Geschwindigkeit der hereinkommenden Luft zu erhöhen. Der Rotor 12 besteht hauptsächlich aus einer zentralen Rotornabe 17 und einer Mehrzahl von sich radial erstreckenden Rotorschaufeln 16 mit Spitzen 25. Der Stator 14 besteht aus einer Mehrzahl von sich axial erstreckenden Statorleitschaufeln 11, die die Luftströmung, die die Rotorschaufeln 16 verlässt, umleiten und den statischen Druck der Luft erhöhen. Der Gaspfad 22 ist für den Hauptkanal verdichteter Luft zu dem Maschinenkern gezeigt.
Der Rotor 12 kann eine Einheit aus einem Stück sein, ein „integral beschaufelter Rotor", aufweisend die zentrale Rotornabe 17 und die integralen Rotorschaufeln 16. Traditionell sind die einzelnen Schaufeln 16 jedoch an der zentralen Nabe 17 angebracht unter Verwendung einer Anbringung der Tannenbaumart, die in der Technik wohlbekannt ist, und können entweder Spitzen mit Kragen oder ohne Kragen haben. Durch den Kompressor hindurch nimmt die Querschnittsfläche des Gasströmungspfads in Strömungsrichtung ab. Dies reduziert das Volumen der Luft, wenn die Verdichtung voranschreitet. Die zentrifugale Kompressorstufe weist den Verdichter 27 auf, ein einzelnes, oft aus Titan bestehendes Schmiedeteil, das im Allgemeinen eine Mehrzahl von Schaufeln 29, eine integrale Nabe 31 und einen Diffusor 45 aufweist. Die Schaufeln 29 führen die axiale Luft zu dem äußeren Umfang des Verdichters, wobei sie die Geschwindigkeit der Luft mittels der hohen Drehzahl des Verdichters erhöhen. Der nachfolgende Diffusor 45 dient dazu, die Luftströmung auszurichten und die hohe Geschwindigkeit, die hohe kinetische Energie in geringe Geschwindigkeit, hohe Druckenergie umzuwandeln. Die Verwendung von axialen und zentrifugalen Kompressoren ist in der Technik wohlbekannt.
In der vorliegenden Erfindung erzeugt ein strömungsteilender ringförmiger Kragen eine Verzweigung in dem Kompressorausgangsgaspfad, wodurch ein alternativer, nach außen gerichteter Gaspfad für unter Druck gesetzte Kühlluft entsteht, die für andere Zwecke als Energieerzeugung, so wie Anforderungen des Ölkühlens und des unter Druck Setzens des Abteils der APU, verwendet werden kann.
In der ersten, in 2a gezeigten Ausführungsform haben die Rotorschaufeln 16 keine konstante radiale Länge, was in stromaufwärtigen Spitzen 25 und einem ausgeschnittenen stromaufwärtigen Bereich 24 an der hinteren Kante einer jeden Schaufel 16 resultiert. Ein strömungsteilender, ringförmiger Kragen 33 ist radial zwischen der äußeren Wand 26 des ringförmigen Kompressorgehäuses und den inneren Naben der Kompressorelemente positioniert, um axial stromaufwärts von den hinteren Kanten 20 der Rotorschaufeln 16 zu den vorderen Kanten 18 hin ausgestreckt zu werden. Die stromaufwärtigen Spitzen 25 der Rotorschaufeln passieren die äußere Wand 26 des Kompressorgehäuses in enger Nähe. Die stromabwärtigen Spitzen 24a verfolgen einen kleineren Rotati onsradius und passieren den strömungsteilenden, ringförmigen Kragen 33 in enger Nähe. Dies erlaubt mit Gaspfad 23 gezeigter Luftströmung, die von den Schaufelendbereichen 19 kommt, von der Verzweigung 32 durch einen zweiten ringförmigen Kanal 34 kanalisiert zu werden, der von dem ringförmigen Kragen 33 und der äußeren Wand des Kompressorgehäuses 26 gebildet wird. Gaspfad 23 folgende Strömung strömt dann axial an den Endbereichen 21 der Statorleitschaufeln 11 vorbei und kann dann aus dem Maschinenkompressor heraus für Hilfsverwendungen geführt werden. Der erste ringförmige Kanal 36 für Kernluft stellt Fluidströmungsverbindung zwischen den Rotorschaufeln 16 und dem Diffusor des zentrifugalen Kompressors 45 an dem Kompressoraustritt her. Der erste ringförmige Kernluftkanal 36 ist konzentrisch mit dem zweiten ringförmigen Hilfsluftkanal 34 und sorgt für einen gegenüber gewöhnlichen Gasturbinenkompressoren ohne die vorliegende Erfindung im Wesentlichen unveränderten Maschinenkerngaspfad 22.
Für einen Kompressorbereich 110 einer in 3a gezeigten alternativen Ausführungsform weisen Rotorschaufeln 116 des Rotors 112 teilüberspannende Krägen 30 auf, die Luftströmung zwischen dem Maschinenkernkanal 136 und dem Hilfsluftbereitstellungskanal 134 teilen. Die teilüberspannenden Krägen 30 sind radial nahe den entfernt liegenden Endbereichen 19 der Schaufeln 116 positioniert und mit dem strömungsteilenden ringförmigen Kragen 133 ausgerichtet, der genau stromabwärts der hinteren Kanten 120 der Schaufeln 116 beginnt. Dies beseitigt das Erfordernis des Ausschnitts in den Rotorschaufelendbereichspitzen 19, wie in der Ausführungsform in 1a gezeigt. Die Spitzen 125 der Rotorschaufeln 116 passieren die äußere Wand 126 des Kompressorgehäuses trotzdem in enger Nähe. Der traditionelle Vorteil von Rotoren mit Schaufeln mit Krägen, die in ihrer gebräuchlichsten Verwendung ein Band um den Umfang der Kompressorrotorschaufelspitzen herum bilden, ist die Reduktion von Schaufelvibrationen. Das zusätzliche Gewicht der Krägen wird durch ein dünneres Schaufelprofil ausgeglichen, ermöglicht durch die von dem Kragen gegebene radiale Unterstützung, was sonst wegen Vibrationsgrenzen unmöglich wäre. 3b zeigt das dünnere Profil 128 der Schaufel mit Kragen 116, während 2b im Vergleich das dickere Profil 28 der Schaufeln ohne Kragen 16 zeigt. Krägen dienen auch dazu, die Luftströmungscharakteristika zu verbessern, die Effizienz des Kompressorrotors zu erhöhen und die Luftströmungs leckage um die Spitzen der Schaufeln herum zu reduzieren. Die Rotorschaufeln 116 mit teilüberspannenden Krägen 30 dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung behalten diese traditionellen Vorteile eines Kompressorrotors mit Kragen für die verdichtete Maschinenkernluft bei, welche Gaspfad 122 durch den ringförmigen Kernluftkanal 136 folgt, während sie erlauben, dass Luftströmung für Hilfskühlverwendungen dem Gaspfad 123 durch den ringförmigen Hilfsluftquellenkanal 134 separat folgt. Der zusätzliche Vorteil der Trennung von Strömungen unter Verwendung eines axialen Rotors mit Schaufeln mit teilüberspannenden Krägen, wie in 2a gezeigt, ist, dass der Umfang der Verdichtung unabhängig für die dem Maschinenkern zugeführte Luft und für die für Hilfskühlen bereitgestellte Luft ausgelegt werden kann.
In einer Anwendung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die von den Spitzen des Kompressors der axialen und zentrifugalen Stufe einer Hilfsenergieeinheit abgezweigte Luft für Anforderungen des luftgekühlten Ölkühlens und unter Druck Setzens des Abteils zu verwenden. Die vorliegende Erfindung würde demnach ein passives Kühlsystem bereitstellen, das das Erfordernis beseitigt, einen separaten Bläser, der als ein Zusatz zu der Maschine läuft, vorzusehen, und das abgeschlossen innerhalb der Maschine ist. Dies überträgt sich auf eine signifikante Kosten- und Gewichtsersparnis sowie verbesserte Produktzuverlässigkeit. Die von dem Kompressor erzeugte Hilfsluft könnte genauso gesammelt werden und für viele andere Verwendungen gebraucht werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur exemplarisch gedacht. Es ist deshalb beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung nur von dem Umfang der angehängten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Gastrubinenmaschinenkompressor (10; 110), aufweisend: einen um eine zentrale Achse rotierbaren Rotor (12; 112), der eine Nabe (17) und sich radial von der Nabe (17) erstreckende Rotorschaufeln (16; 116) aufweist; ein ringförmiges Kompressorgehäuse, das konzentrisch mit der zentralen Achse ist und eine äußere Wand (26; 126) definiert; wobei die Rotorschaufeln (16; 116) Spitzen (25; 125) haben, wobei mindestens ein Teil der Spitzen (25; 125) in enger Nähe von der äußeren Wand (26; 126) ist, und die Schaufeln (16; 116) Endbereiche nahe den Spitzen (25; 125) haben; wobei die äußere Wand (26; 126) sich stromaufwärts von dem Rotor (12; 112) erstreckt, wodurch eine im Wesentlichen ungehinderte Fluidströmungsverbindung zwischen einer externen Luftquelle und dem Rotor (12; 112) ermöglicht wird; einen ringförmigen Kragen (33; 133) innerhalb des Kompressorgehäuses und konzentrisch mit der zentralen Achse, der sich stromabwärts von dem Rotor (12; 112) erstreckt; einen ersten, innerhalb des ringförmigen Kragens (33; 133) definierten ringförmigen Kanal (36; 136); wobei der ringförmige Kragen (33; 133) und die äußere Wand (26; 126) einen zweiten ringförmigen Kanal (34; 134) definieren; wobei der erste Kanal (36; 136) eine Kernfluidströmungsverbindung zwischen dem Rotor (12; 112) und einem Kompressorauslass ermöglicht; wobei der zweite Kanal (34; 134) ausgebildet ist, Luft von mindestens den Endbereichen der Schaufeln (16; 116) zum Hilfsgebrauch bereitzustellen; und einen Verdichter (27) mit radialer Ausströmung stromabwärts (27) von dem Rotor; und gekennzeichnet durch einen zwischen dem Verdichter (27) und dem Rotor (12; 112) eingefügten Stator (11).
Gasturbinenmaschinenkompressor nach Anspruch 1, wobei die Rotorschaufeln (16) jeweils eine vordere Kante und eine hintere Kante haben und jede Rotorschaufel (16) einen ausgeschnittenen Bereich (24) in dem Endbereich hat, und der ringförmige Kragen (33) sich stromaufwärts in den ausgeschnittenen Bereichen (24) der Rotorschaufeln (16) erstreckt.
Gasturbinenmaschinenkompressor nach Anspruch 2, wobei die Rotorschaufeln (16) jeweils einen verbleibenden, sich stromaufwärts von dem Kragen zu der Spitze erstreckenden Endbereich haben.
Gastrubinenmaschinenkompressor nach Anspruch 3, wobei eine den Ausschnitt (24) definierende, axiale Kante (24a) des Endbereichs den ringförmigen Kragen (33) in enger Nähe passiert.
Gasturbinenmaschinenkompressor nach Anspruch 1, wobei die Rotorschaufeln (116) mindestens einen sich von beiden Seiten eines jeder Schaufel erstreckenden Flansch aufweisen, um teilüberspannende Krägen (30) auszubilden, die mit der zentralen Achse konzentrisch sind und mit dem genannten ringförmigen Kragen (133) ausgerichtet sind.
Gastrubinenmaschinenkompressor nach Anspruch 5, wobei teilüberspannende Krägen (30) ein dünneres Schaufelströmungsprofil ermöglichen.
Gastrubinenmaschinenkompressor nach Anspruch 5 oder 6, wobei sich die teilüberspannenden Krägen (30) stromabwärts von den Rotorschaufeln (116) erstrecken und einen Bereich des genannten ringförmigen Kragens (133) ersetzen.
Gasturbinenmaschinenkompressor nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, wobei die genannte Gasturbinenmaschine (10; 110) eine Hilfsenergieeinheit ist.
Gastrubinenmaschinenkompressor nach Anspruch 8, wobei ein Hilfsgebrauch Bereitstellen von Kühlluft für ein passives Ölkühlsystem für die Hilfsenergieeinheit einschließt.
Gastrubinenmaschinenkompressor nach Anspruch 8, wobei ein Hilfsgebrauch Bereitstellen von Luft zum unter Druck Setzen des Abteils einschließt.
Gasturbinenmaschinenkompressor nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Querschnittsfläche von des ersten Kanals (36; 136) in der Strömungsrichtung abnimmt.
Gasturbinenmaschinenkompressor nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Kompressor eine Mehrzahl von Rotoren und Statoren aufweist.
Gasturbinenmaschinenkompressor nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, wobei der genannte Verdichter (27; 127) Schaufeln (29) aufweist, die jeweils mindestens einen sich von beiden Seiten eines jeden Blattes erstreckenden Flansch haben, um teilüberspannende Krägen auszubilden, die mit der zentralen Achse konzentrisch sind und mit dem genannten ringförmigen Kragen (33; 133) ausgerichtet sind, der den ersten ringförmigen Kanal und den zweiten ringförmigen Kanal (36; 136, 34; 134) trennt.
Gastrubinenmaschinenkompressor nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, wobei der genannte Verdichter (29; 129) mit Luft von dem ersten ringförmigen Kanal (36; 136) gespeist wird.