DE60317118T2

DE60317118T2 - In eine Maschine intigrierte Hilfsenergieeinheit

Info

Publication number: DE60317118T2
Application number: DE60317118T
Authority: DE
Inventors: J. Axel Manchester Glahn; Michael K. Avon Sahm
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: JP2003227412A; US6968701B2; DE60317118D1; EP1329382B1; EP1329382A2; JP3803326B2; EP1329382A3; US20030150206A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine in eine Maschine integrierte Hilfsenergieeinheit zur Verwendung in einem Flugzeug.
1 zeigt ein schematische Darstellung einer modernen dreiwelligen Turbofan-Maschine 10 mit hohem Bypass-Verhältnis. Luft tritt in die Maschine 10 durch einen Einlaufdiffusor (nicht gezeigt) ein und erreicht den Fan 12, der als Niederdruckverdichter arbeitet und der von einer dreistufigen Niederdruckturbine 14 angetrieben wird. Stromabwärts von dem Fan 12 wird ein Teil der Luft vollständig verdichtet und wird durch den Mitteldruckverdichter 16, der von der Mitteldruckturbine 18 angetrieben wird, und dann durch den Hochdruckverdichter 20, der von der Hochdruckturbine 22 angetrieben wird, in die Brennkammer 24 geleitet. Die verbleibende Luftströmung strömt an der Brennkammer 24 vorbei, um Kaltschub zu liefern. Der Bypass-Strom vereinigt sich wieder mit dem Rest des Heißstroms stromabwärts von der Turbine 14.
Typische zweiwellige Anordnungen verbinden den Fan mit den ersten Zwischenverdichterstufen zu dem Niederdruckverdichtungssystem, wohingegen die verbleibenden Stufen mit dem Hochdruckverdichter verbunden sind. Die Aufteilung der Turbinenarbeit zwischen Hochdruck- und Niederdrucksystem wird entsprechend angepasst.
In beiden Fällen werden Zusätze der Strahlmaschine, wie Generatoren elektrischer Energie und Pumpen, über Kegelräder, Königswellen und ein externes Getriebe von der Hochdruckwelle angetrieben. Zum Maschinenstart wird die gleiche Anordnung verwendet, um die Hochdruckwelle mit einem Starter anzutreiben, der Druckluft in einer Startturbine expandiert. Um die Maschine mit einer solchen Anordnung starten zu können, muss Druckluft zur Verfügung gestellt werden und durch Leitungen zu der Maschine geführt werden. Dies ist eine der Hauptaufgaben der Hilfsenergieeinheit, einer kleinen Gasturbine, die üblicherweise im Heckkonus eines Flugzeugs positioniert ist. Weitere Funktionen der Hilfsenergieeinheit enthalten das Erzeugen von elektrischer Energie und Wellenleistung, während die Hauptmaschinen nicht laufen, z. B. am Gate, und das Bereitstellen von Luft für das Flugzeugsystem zum Kontrollieren des Klimas.
Für das Gesamtsystem Flugzeug werden potentielle Gewichts- und Kosteneinsparungen in einer gemeinsamen Anordnung von Hilfsenergieeinheit und Hauptmaschinen gesehen. Eine solche, an der Hauptmaschine angebrachte Hilfsenergieeinheit würde schwere Zapfluftleitungen eliminieren, schädliche Verluste verringern und Übertragungssysteme vereinfachen. Sie hat möglicherweise auch bessere thermodynamische Zyklen zu bieten. Bis heute hat jedoch niemand eine wirklich in eine Maschine integrierte Hilfsenergieeinheit entwickelt. Eine in eine Maschine integrierte Hilfsenergieeinheit gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist in GB 20 38 421 offengelegt.
Zusammenfassung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine in eine Maschine integrierte Hilfsenergieeinheit zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine in eine Maschine integrierte Hilfsenergieeinheit zur Verfügung zu stellen, die Gewicht und Kosten spart.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine in eine Maschine integrierte Hilfsenergieeinheit zur Verfügung zu stellen, welche schwere Zapfluftleitungen eliminiert, schädliche Verluste verringert und Übertragungssysteme vereinfacht.
Die vorstehenden Aufgaben werden von der in die Maschine integrierten Hilfsenergieeinheit bevorzugter Ausführungsformen zumindest der vorliegenden Erfindung erfüllt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Maschine mit einer integrierten Hilfsenergieeinheit gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt. Die unabhängige Betriebseinrichtung weist vorzugsweise zumindest eine Einlassöffnung auf, um konventionelle Luftströmung durch die Maschine zu blockieren und um Luft dem Einlass des Hochdruckverdichters der Hochdruckwellenanordnung bereitzustellen. In einer zweiwelligen Maschine ist/sind die Einlassöffnung(en) vorzugsweise zwischen dem Niederdruckverdichter und dem Hochdruckverdichter angeordnet, und die Austrittsöffnung(en) ist/sind vorzugsweise zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine angeordnet. In einer dreiwelligen Maschine ist/sind die Einlassöffnung(en) vorzugsweise zwischen dem Mitteldruckverdichter und dem Hochdruckverdichter angeordnet, und die Austrittsöffnung(en) ist/sind zwischen der Hochdruckturbine und der Mitteldruckturbine angeordnet.
Andere Einzelheiten der in die Maschine integrierten Hilfsenergieeinheit der vorliegenden Erfindung sowie dazugehörige weitere Vorzüge werden in der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und den beigefügten Zeichnungen dargelegt, in denen gleichartige Bezugszeichen gleichartige Elemente kennzeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen dreiwelligen Turbinenmaschine;
2 ist eine schematische Darstellung einer dreiwelligen Maschine mit einer integrierten Hilfsenergieeinheit; und
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Maschine gemäß 2.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Die vorliegende Erfindung umfasst die Integration einer Hilfsenergieeinheit in die Maschinenfunktion, womit eine herkömmliche Hilfsenergieeinheit unnötig wird. Im Prinzip kann das Hochdrucksystem einer zwei- oder dreiwelligen Maschine unabhängig vom Rest der Maschine betrieben werden, unter der Voraussetzung, dass Verdichter und Turbinen aerodynamisch entkoppelt sind.
Mit Bezug nun auf 2 der Zeichnungen wird eine dreiwellige Maschine erläutert. Die Integration der Hilfsenergieeinheit in die Maschinenfunktion wird dadurch herbeigeführt, dass eine oder mehrere variable Einlassöffnungen 30 zur Verfügung gestellt werden, um zu ermöglichen, dass Luft direkt in einen Einlass eines Hochdruckverdichters 20 eingeführt wird. Die durch die Öffnung(en) 30 eingeleitete Luft wird dazu verwendet, den Hochdruckverdichter 20 und die Hochdruckturbine 22 anzutreiben. Luft, die durch die Hochdruckturbine 22 geleitet wurde, wird aus der Maschine durch eine oder mehrere Austrittsöffnungen 32 hinausgeleitet. Indem man Luft nur durch den Hochdruckverdichter 20 und die Hochdruckturbine 22 strömt und keine Luftströmung durch den Niederdruckverdichter 12 und die Niederdruckturbine 14 und/oder den Mitteldruckverdichter 16 und die Mitteldruckturbine 18 hat, kann man die Hochdruckwellenanordnung der Maschine als eine Hilfsenergieeinheit verwenden.
In einer dreiwelligen Maschine würde(n) die Einlassöffnung(en) 30 Luft zwischen dem Mitteldruckverdichter 16 und dem Hochdruckverdichter 20 einführen, und die Austrittsöffnung(en) 32 wäre(n) zwischen der Hochdruckturbine 22 und der Mitteldruckturbine 18 angeordnet. In einer zweiwelligen Maschine ist/sind die Einlassöffnung(en) 30 zwischen dem Niederdruckverdichter 12 und dem Hochdruckverdichter 20 angeordnet, und die Austrittsöffnung(en) 32 ist/sind zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine angeordnet.
In der Maschinenanordnung von 2 kann/können die Einlassöffnung(en) 30 in einer Maschinengondel 34 hinter dem Mitteldruckverdichter 16 angeordnet sein.
Alternativ können die Einlassöffnungen 30' einen Einlass, der nahe der Vorderkante 36 der Maschinengondel 34 angeordnet ist, und einen Durchgang 37 aufweisen, um Luft zu dem Bereich zwischen dem Mitteldruckverdichter 16 und dem Hochdruckverdichter 20 zu leiten.
Die Austrittsöffnung(en) 32 kann/können direkt hinter dem Ausgang der Hochdruckturbine 22 angeordnet sein, so dass die Auslassströmung über einen mittleren Bereich der Maschinengondel 34 austritt. Alternativ, um die Wärmebelastung auf die Gondel 34 zu reduzieren, kann/können die Austrittsöffnung(en) 32' angeordnet sein, die Auslassströmung zwischen dem Maschinenkern 38 und einer inneren Gondelwand 40 zu leiten.
Wie in 3 gezeigt, können Klappen 60, 62, 64 und 66 in den Gondelwänden enthalten sein, um die Einlass- und Austrittsöffnungen 30 und 32 zu öffnen und zu schließen und um die Strömung in dem herkömmlichen Strömungspfad zu blockieren. Zum Beispiel blockiert die Klappe 60 in einer geschlossenen Position den Eintritt von Luft durch eine betreffende Einlassöffnung 30 und ermöglicht es in einer offenen Position, dass Luft in die Einlassöffnung 30 eintritt. Die Klappe 62 ermöglicht in einer offenen Position, dass Luft in den Einlass des Hochdruckverdichters 20 eintritt, und blockiert den normalen oder standardmäßigen Luftströmungspfad durch die Maschine und hindert in geschlossener Position Luft daran, aus der Öffnung 30 in den Einlass des Hochdruckverdichters 22 einzutreten, und ermöglicht die normale Luftströmung durch die Maschine zu dem Hochdruckverdichter 22. Die Klappe 64 blockiert in einer offenen Position den normalen Luftstromaustritt der Maschine und öffnet den Einlass von Austrittsöffnung 32. In einer geschlossenen Position blockiert die Klappe 64 den Luftstrom in die Austrittsöffnung 32 und erlaubt normale Luftabgabe durch die Maschine. Die Klappe 66 ermöglicht es in einer offenen Position, dass Luft in der Austrittsöffnung 32 durch die Gondel 34 abgegeben wird, und hindert in einer geschlossenen Position Luft daran, dass sie durch die Austrittsöffnung 32 abgegeben wird. Jede in der Technik bekannte, geeignete Einrichtung kann dazu verwendet werden, um die Klappen 60, 62, 64 und 66 zu betätigen.
Wie sich aus der vorangegangen Diskussion zeigt, sperren die Einlass- und Austrittsöffnungen 30, 32 und die Klappen 60, 62, 64 und 66 den konventionellen Luftströmungspfad in der Maschine 10 ab, der während des standardmäßigen Betriebs der Hauptmaschine verwendet wird, und stellen eine Verbindung mit dem Bypass-Kanal 26 her. Diese Verbindung kann in Form eines einfachen radialen Kanals 46 oder eines Kanals einer höher entwickelten Konstruktion zur Verfügung gestellt werden, die darauf abzielt, die Einlassverluste zu verringern.
Im Betrieb wird durch die Einlassöffnung(en) 30 oder 30' geleitete Luft dazu verwendet, die Hochdruckwelle anzutreiben und damit notwendige elektrische Leistung und/oder Wellenleistung während des Maschinenstarts oder zu anderen Zeiten zur Verfügung zu stellen. Während des normalen Betriebs der Maschine sind die Einlass- und Austrittsöffnungen geschlossen, und die Maschine wird normal betrieben.
Wenn gewünscht, können die Klappen 60 und 62 in einer Ventil-Klappen-Anordnung zusammengefasst werden. In ähnlicher Weise können die Klappen 64 und 66 in einer anderen einzelnen Ventil-Klappen-Anordnung zusammengefasst werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind erhebliche Gewichts- und Kostenvorteile im Vergleich zu einer konventionellen Hauptmaschine-APU-Architektur.
Es leuchtet ein, dass die im obigen beschriebene, in einer Maschine integrierte Hilfsenergieeinheit die vorher beschriebenen Aufgaben, Einrichtungen und Vorzüge vollständig erfüllt. Obgleich die vorliegende Erfindung in Zusammenhang ihrer spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Alternativen, Modifikationen und Variationen einem Fachmann nach Lektüre der obigen Beschreibung klar. Demgemäß ist es vorgesehen, diese Alternativen, Modifikationen und Variationen zu umfassen.

Claims

Maschine (10) mit einer integrierten Hilfsenergieeinheit, aufweisend: eine Niederdruckwellenanordnung, aufweisend einen Niederdruckverdichter (12) und eine Niederdruckturbine (14); eine Hochdruckwellenanordnung, aufweisend einen Hochdruckverdichter (20) und eine Hochdruckturbine (22); eine Einrichtung, um die Hochdruckwellenanordnung unabhängig zu betreiben, so dass die Hochdruckwellenanordnung als die genannte Hilfsenergieeinheit arbeitet; wobei die Betriebseinrichtung zumindest eine Einrichtung zum Blockieren von Luftströmung durch die Maschine und zum Zuführen von Luft zu einem Einlass des Hochdruckverdichters (20) aufweist; wobei die Betriebseinrichtung weiterhin zumindest eine Einrichtung zum Abgeben von Luft aufweist, die aus der Hochdruckturbine (22) austritt; dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abgabeeinrichtung zumindest eine Austrittsöffnung (32, 32') enthält, die zwischen der Hochdruckturbine (22) und der Niederdruckturbine (14) angeordnet ist.
Maschine gemäß Anspruch 1, wobei die zumindest eine Blockierungs- und Luftzuführeinrichtung zumindest eine Einlassöffnung (30, 30') zum Einführen von Luft in den Hochdruckverdichtereinlass aufweist und die zumindest eine Einlassöffnung (30, 30') zwischen dem Hochdruckverdichter (20) und dem Niederdruckverdichter (12) angeordnet ist.
Maschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Blockierungs- und Luftzuführeinrichtung weiterhin zumindest eine Klappe (60, 62) zum Blockieren der Luftströmung durch die Maschine (10) aufweist.
Maschine gemäß Anspruch 1, wobei die Maschine einen Mitteldruckverdichter (16) aufweist, wobei die zumindest eine Blockierungs- und Luftzuführeinrichtung zumindest eine Einlassöffnung (30, 30') aufweist, um einem Einlass des Hochdruckverdichters (20) Luft zuzuführen, und wobei die zumindest eine Einlassöffnung (30, 30') zwischen dem Mitteldruckverdichter (16) und dem Hochdruckverdichter (20) angeordnet ist.
Maschine gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Blockierungs- und Luftzuführeinrichtung zumindest eine Klappe (60, 62) aufweist, um Luftströmung durch die Maschine zu blockieren.
Maschine gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Maschine eine Mitteldruckturbine (18) aufweist und wobei die zumindest eine Abgabeeinrichtung zumindest eine Austrittsöffnung (32, 32') aufweist, die zwischen der Hochdruckturbine (22) und der Mitteldruckturbine (18) angeordnet ist.
Maschine gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Abgabeeinrichtung weiterhin zumindest eine Klappe (64, 66) enthält, um einen Pfad der Austrittsströmung der Maschine zu blockieren und um die zumindest eine Austrittsöffnung (32, 32') zu öffnen.