EP2696077B1 - Gasturbinenverdichter mit reduziertem Pumpen sowie zugehöriges Verfahren - Google Patents

Gasturbinenverdichter mit reduziertem Pumpen sowie zugehöriges Verfahren Download PDF

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EP2696077B1
EP2696077B1 EP12179977.9A EP12179977A EP2696077B1 EP 2696077 B1 EP2696077 B1 EP 2696077B1 EP 12179977 A EP12179977 A EP 12179977A EP 2696077 B1 EP2696077 B1 EP 2696077B1
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EP
European Patent Office
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controller
fluid
compressor
gas
turbine compressor
Prior art date
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EP12179977.9A
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EP2696077A1 (de
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Sven Dr. Hiller
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves

Definitions

  • the present invention relates to a method and a gas turbine compressor for reducing a compressor pumping according to the preamble of claim 1, as known from the document DE 28 53 340 A1 is known.
  • the compressor map of a gas turbine compressor is divided by the so-called surge limit into a stable and an unstable region. If the operating point of the compressor in the unstable region lies, in particular by reducing the flow rate or increasing the delivery head, working fluid can flow back against the conveying direction of the compressor, in particular cyclically, into an upstream stage and be conveyed back therefrom. Through this so-called (compressor) pumps, the gas turbine can be charged.
  • a Pumpverhütungs- or anti-pumping which opens a relief valve on the basis of the operating point of the compressor when approaching the surge limit or as a result of a pump pressure surge.
  • Such anti-pump and anti-pump regulations operate electronically and are externally controlled by a gas turbine governor. To form these fail-safe, especially in the high safety requirements of aircraft engines, consuming.
  • Object of the present invention is to reduce compressor pumps in a gas turbine compressor in an advantageous manner, in particular to prevent.
  • a gas turbine compressor according to the preamble of claim 1 is further developed by its characterizing features.
  • Claim 9 provides a method for operating such a gas turbine compressor under protection, the dependent claims relate to advantageous developments.
  • a gas turbine compressor in particular a propulsion air compressor, has three or more compressor stages and one or more bypass passages for returning working fluid from one or more downstream to one or more upstream stages, and an open and close regulator this Umblaspassage (s) to reduce a compressor pumps, in particular to prevent.
  • working fluid may flow from one or more downstream stages to one or more upstream stages.
  • the controller may be configured to open and close one or more bypass passages, in particular coupled or synchronous.
  • the controller may only fully open or close one or more bypass passages. In another embodiment, the controller may also partially open or close one or more blow-over passages, in particular in predetermined discrete steps or continuously.
  • One or more Umblaspassagen may open in the axial direction before, at or after a playpen a compressor stage in this, preferably radially outside or inside.
  • the controller has one or more fluid-mechanically operable processing elements. Further, the regulator is actuated by working fluid of a middle stage disposed between these downstream and upstream stages.
  • One or more processing members are pneumatically operable in one embodiment by the working fluid. Additionally or alternatively, one or more processing members may be operable by another fluid.
  • a fluid-mechanically operable processing element in the context of the present invention is understood to mean, in particular, a component that fluid-mechanically maps one or more input variables in a logical and / or arithmetic manner to one or more output variables, in particular a manipulated variable, in particular three or more input variables are fluid-mechanically linked to one another or . interconnected.
  • Three or more processors For example, they may be fluidly linked or interconnected by one or more outputs of one processing element as an input (s) to another processing element be supplied fluid mechanically.
  • Fluid-mechanical in the sense of the present invention may in particular mean “mechanically by a fluid”.
  • controllers By one or more, preferably all processing elements of the controller are not electronically but fluid-mechanically actuated, can be provided in a simple manner, a reliable controller for reducing a gas turbine compressor pumping.
  • a processing member in the sense of the present invention may also comprise a sensing member subjected to fluid-mechanical loading by the working medium of one or more compressor stages and / or a fluid-mechanically actuated actuator for opening or closing the bypass passage (s).
  • a fluidmechanisch actuatable processing member which is acted upon by the working fluid of the downstream stage (detection member) and whose pressure with the spring preload is linked such control technology that when exceeding a - predetermined by the spring preload - value the Umblaspassage opened or closed when falling below this value (actuator).
  • the controller is fluid-mechanically formed. This is understood to mean, in particular, that the controller operates purely fluid-mechanically, ie its entire controlled system from the input quantities to the actuating action (s) which open or close the bypass passage (s), exclusively by fluid mechanics, in particular by the working fluid of the compressor pneumatic, without the controller using electronic signals to control. As a result, the controller can continue to work, especially in the event of a power failure. Additionally or alternatively, the controller may be autonomous. This is understood to mean, in particular, that the controller only regulates as input variables on the basis of the working fluid, in particular in one or more upstream stages, or that the controller operates only on the basis of one or more fluid-mechanical variables of one or more compressor stages.
  • one or more processing elements of the controller comprise one or more fluid-mechanical, in particular pneumatic, adders, subtractors, comparators, integrators, differentiators, dampers, filters and / or limiters.
  • a filter is understood to mean, in particular, a means which functions as a filter as a filter and dampens predetermined frequencies of a fluid-mechanical quantity.
  • a filter may also be a means which functions as a filter in terms of flow and removes foreign substances of a predetermined size from the fluid with which the regulator is actuated.
  • a filter for this purpose can have one or more screens, nets or the like.
  • one or more processing elements of the controller may have one or more fluid mechanical, in particular pneumatic, memory, in particular average and / or extreme value memory.
  • one or more processing elements of the controller may have one or more fluid mechanical, in particular pneumatic, memory, in particular average and / or extreme value memory.
  • one or more processing elements of the regulator may comprise one or more valves which can be actuated by fluid mechanics, in particular, preferably preloaded, non-return or control valves.
  • a valve is understood to mean, in particular, a means by which a fluid passage can be enlarged or opened and / or reduced or closed, under a check valve correspondingly a means which allows flow through a fluid passage only in one flow direction.
  • the controller is designed to be temperature-dependent regulating.
  • it may for example have one or more temperature-dependent valves which open or close upon reaching a predetermined temperature.
  • the controller is designed to output an electrical signal, in particular to an electronic gas turbine governor.
  • an electronic gas turbine governor can also operate autonomously within the meaning of the present invention, provided that it outputs only electrical signals or that incoming electrical signals have no influence on the controlled system implemented by it.
  • Fig. 1 shows a part of a gas turbine compressor according to an example of the prior art in the meridian section with an upstream (left in Fig. 1 ) Compressor stage with the playpen 11 and the upstream Leitgitter 21 and a downstream (right in Fig. 1 ) Compressor stage with the playpen 12 and the downstream of him Leitgitter 23 and arranged between two stages Leitgitter 22, wherein an axis of rotation of the compressor rotor carrying the playpens 11, 12, indicated by dash-dotted lines.
  • a Umblaspassage is formed, which in the example example radially outside and communicates in the axial direction in front of the playpen 11 and behind the playpen 12 with the working fluid.
  • the blowby passage can be at least partially integrally formed, for example, in a compressor housing or compressor rotor and / or defined by hose lines or the like.
  • a biased check valve 100 which opens the bypass passage for the working fluid of the compressor, when the pressure of the downstream compressor stage exceeds the pressure of the upstream compressor stage by more than a predetermined value, which is predetermined by the biased compression spring of the check valve 100.
  • the check valve 100 constitutes the sole processing member of a regulator for opening and closing the blow-by passage which reduces compressor pumps: the pressure difference between the upstream and downstream compressor stages falls below the value preset by the compression spring because, for example, the pressure in the upstream compressor stage drops too much or in the downstream compressor stage increases too much, ie the delivery height is increased too much, is automatically as long as working fluid at higher pressure from the downstream compressor stage through the Umblaspassage out to the upstream compressor stage, until the compressor operates again in the stable range.
  • the processing member is actuated purely fluid-mechanically
  • the controller operates fluidmechanically autonomous without power supply or control signals of a gas turbine controller. This can be reacted quickly and reliably, even in the event of a power failure, to, in particular transient, operating conditions of the compressor.
  • the processing member fluidly links the two input variables "pressure of the downstream compressor stage” and “pressure of the upstream compressor stage” as a subtractor and compares them fluid mechanically with the value predetermined by the compression spring. It also acts as a detection member for detecting the two fluid mechanical variables “pressure of the downstream compressor stage” and “pressure of the upstream compressor stage” and as a fluid-mechanically actuated actuator that opens or closes the Umblaspassage.
  • Fig. 2 shows in Fig. 1 corresponding representation of a part of a gas turbine compressor according to an example of the prior art.
  • Features consistent with the example described above are designated by identical reference numerals, so that reference is made to the above examples and only to the differences, for example Fig. 1 will be received.
  • the controller is also purely fluidmechanical and autonomous, but more complex than in Fig. 1 In particular, it has a plurality of fluid-mechanically operable processing elements:
  • Working fluid of the upstream compressor stage initially acts on a fluid-mechanical damper 400 and is then fed through a throttle 300 to a biased control valve 200.
  • working fluid of the downstream compressor stage acts on a fluid-mechanical damper 401 and is supplied to the control valve 200 through a throttle 301.
  • the biased control valve 200 is designed as a so-called “inverse shuttle valve”, as it is sold, for example, by The Lee Company (USA), to which reference is also made with respect to other fluidmechanisch operable processing elements. It is biased by a compression spring and formed so that it in the in Fig. 2 state, a fluid mechanically operable amplifier 500 with working fluid of the downstream compressor stage, which was passed through the damper 401 and the throttle 301, as long as the pressure of the downstream compressor stage after damper 401 and throttle 301 the pressure of the upstream compressor stage after damper 400 and throttle 300 to exceeds more than a predetermined value, which is predetermined by the prestressed compression spring of the control valve 200. This closes the booster 500, which in turn closes the blow-by passage between the upstream and downstream compressor stages.
  • the booster 500 When this pressure difference drops below the value preset by the compression spring, for example, because the pressure in the upstream compressor stage falls too high or rises too much in the downstream compressor stage, i.e., the pressure drops too low. conversely, if the delivery head increases too much, the booster 500 is acted upon by working fluid of the upstream compressor stage which has passed through the damper 400 and the throttle 300. Accordingly, the booster 500 now opens the blow-by passage between the upstream and downstream compressor stages so that working fluid of higher pressure is automatically fed from the downstream compressor stage through the blow-by passage to the upstream compressor stage until the compressor operates again in the stable range.
  • a fluid-mechanically autonomous multi-stage controller By the fluid-mechanically linked or interconnected, in turn fluid-mechanically operable processing members 200, 300, 301, 400, 401 and 500, a fluid-mechanically autonomous multi-stage controller is implemented.
  • the dampers 400, 401, the throttles 300, 301, the vote in particular of the springs and / or surfaces of the control valve 200 and / or amplifier 500 the controlled system, which is implemented by this controller, are optimally tuned to the performance of the gas turbine compressor ,
  • FIG. 3 shows in Fig. 1, 2 corresponding representation of a part of a gas turbine compressor according to the present invention.
  • Features consistent with the examples described above are designated by identical reference numerals, so that reference is made to the above examples and only to the differences from the examples Fig. 1, 2 will be received.
  • Fig. 3 is located between the downstream compressor stage with the playpen 12 and the downstream guide grid 23 and the upstream compressor stage with the playpen 11 and the upstream guide grid 21 except the guide grid 22, a middle compressor stage with a playpen 10 and an upstream guide grid 20.
  • a control valve 201 is biased by a compression spring and configured to be in the in Fig. 3 state illustrated a Umblaspassage between the downstream compressor stage with the playpen 12 and the downstream guide grid 23 and the upstream compressor stage with the playpen 11 and the upstream guide grid 21 blocks, as long as the pressure of the downstream compressor stage the pressure of the middle compressor stage with the playpen 10 and the upstream of him Leitgitter 20 after a throttle 302 by more than a predetermined value, which is predetermined by the prestressed compression spring of the control valve 201.
  • the control valve 201 now opens the blow-by passage between the upstream and downstream compressor stages so that the higher pressure working fluid is automatically led from the downstream compressor stage through the blow-by passage to the upstream compressor stage until the compressor operates again in the stable range , By injecting working fluid from the downstream compressor stage into the upstream compressor stage, in particular, a compressor pump in the middle compressor stage is prevented or reduced, which results from a drop in the pressure difference between the middle and downstream compressor stage.

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  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Gasturbinenverdichter zum Reduzieren eines Verdichterpumpens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der Druckschrift DE 28 53 340 A1 bekannt ist.
  • Das Verdichterkennfeld eines Gasturbinenverdichters wird durch die sogenannte Pumpgrenze in einen stabilen und einen instabilen Bereich geteilt. Liegt, insbesondere durch Verminderung der Fördermenge oder Anstieg der Förderhöhe, der Betriebspunkt des Verdichters in dem instabilen Bereich, kann Arbeitsfluid entgegen der Förderrichtung des Verdichters, insbesondere zyklisch, in eine stromaufwärtige Stufe zurückströmen und von dieser wieder gefördert werden. Durch dieses sogenannte (Verdichter)Pumpen kann die Gasturbine belastet werden.
  • Aus betriebsinterner Praxis ist eine Pumpverhütungs- bzw. Pumpschutzregelung bekannt, die auf Basis des Betriebspunkts des Verdichters bei Annäherung an die Pumpgrenze bzw. infolge eines Pumpdruckstoßes ein Entlastungsventil öffnet. Solche Pumpverhütungs- und Pumpschutzregelungen arbeiten elektronisch und werden extern durch einen Gasturbinenregler gesteuert. Diese ausfallsicher auszubilden, ist, insbesondere bei den hohen Sicherheitsanforderungen von Flugtriebwerken, aufwändig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verdichterpumpen in einem Gasturbinenverdichter in vorteilhafter Weise zu reduzieren, insbesondere zu verhindern.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Gasturbinenverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 9 stellt ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Gasturbinenverdichters unter Schutz, die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
  • Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Gasturbinenverdichter, insbesondere ein Flugtriebwezkverdichter, drei oder mehrere Verdichterstufen sowie eine oder mehrere Umblaspassagen zur Rückführung von Arbeitsfluid von einer oder mehreren stromabwärtigeren zu einer oder mehreren stromaufwärtigeren Stufen, und einen Regler zum Öffnen und Schließen dieser Umblaspassage(n), um ein Verdichterpumpen zu reduzieren, insbesondere zu verhindern, auf.
  • Durch eine ganz oder teilweise geöffnete Umblaspassage kann Arbeitsfluid von einer oder mehreren stromabwärtigen Stufen zu einer oder mehreren stromaufwärtigen Stufen strömen.
  • Der Regler kann dazu ausgebildet sein, eine oder mehrere Umblaspassagen, insbesondere gekoppelt bzw. synchron, zu öffnen und zu schließen.
  • In einer Ausführung kann der Regler eine oder mehrere Umblaspassagen ausschließlich vollständig öffnen bzw. schließen. In einer anderen Ausführung kann der Regler eine oder mehrere Umblaspassagen auch teilweise öffnen bzw. schließen, insbesondere in vorgegebenen diskreten Schritten oder kontinuierlich.
  • Eine oder mehrere Umblaspassagen können in axialer Richtung vor, bei oder nach einem Laufgitter einer Verdichterstufe in diese münden, vorzugsweise radial außen oder innen.
  • Der Regler weist ein oder mehrere fluidmechanisch betätigbare Verarbeitungsglieder auf. Ferner wird der Regler durch Arbeitsfluid einer zwischen dieser stromabwärtigen und stromaufwärtigen Stufe angeordneten mittleren Stufe betätigt. Ein oder mehrere Verarbeitungsglieder sind in einer Ausführung durch das Arbeitsfluid pneumatisch betätigbar. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Verarbeitungsglieder durch ein anderes Fluid betätigbar sein.
  • Unter einem fluidmechanisch betätigbaren Verarbeitungsglied im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein Bauteil verstanden, dass eine oder mehrere Eingangsgrößen in logischer und/oder arithmetischer Weise fluidmechanisch auf eine oder mehrere Ausgangsgrößen, insbesondere eine Stellgröße, abbildet, insbesondere drei oder mehrere Eingangsgrößen fluidmechanisch miteinander verknüpft bzw. verschaltet. Drei oder mehr Verarbeitungsglieder können ihrerseits fluidmechanisch miteinander verknüpft bzw. verschaltet sein, indem eine oder mehrere Ausgangsgrößen eines Verarbeitungsgliedes als Eingangsgröße(n) einem anderen Verarbeitungsglied fluidmechanisch zugeführt werden. "Fluidmechanisch" im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere "mechanisch durch ein Fluid" bedeuten.
  • Indem ein oder mehrere, vorzugsweise alle Verarbeitungsglieder des Reglers nicht elektronisch sondern fluidmechanisch betätigbar ausgebildet sind, kann auf einfache Weise ein zuverlässiger Regler zum Reduzieren eines Gasturbinenverdichterpumpens zur Verfügung gestellt werden.
  • Das bzw. die Verarbeitungsglieder des Reglers bilden dessen Regelstrecke bzw. verknüpfen in einer oder mehreren durch je ein Verarbeitungsglied implementierten Stufen eine oder mehrere Regeleingänge, insbesondere fluidmechanische Größen, vorzugsweise Druck und/oder Volumenstrom, des Arbeitsmediums, insbesondere einer oder mehrerer stromaufwärtiger Verdichterstufen, zu einer oder mehreren Stellgrößen, die insbesondere ein Öffnen bzw. Schließen der Umblaspassage(n) bewirken. Dementsprechend kann ein Verarbeitungsglied im Sinne der vorliegenden Erfindung auch ein durch das Arbeitsmedium einer oder mehrerer Verdichterstufen fluidmechanisch beaufschlagtes Erfassungsglied und/oder ein fluidmechanisch betätigtes Stellglied zum Öffnen bzw. Schließen der Umblaspassage(n) aufweisen. Beispielsweise bildet ein federbelastetes Rückschlagventil in einer Umblaspassage ein fluidmechanisch betätigbares Verarbeitungsglied, das von dem Arbeitsfluid der stromabwärtigen Stufe beaufschlagt wird (Erfassungsglied) und dessen Druck mit der Federvorspannung derart regelungstechnisch verknüpft ist, dass bei einem Überschreiten eines - durch die Federvorspannung vorgegebenen - Wertes die Umblaspassage geöffnet bzw. bei Unterschreiten dieses Wertes geschlossen wird (Stellglied).
  • In einer Ausführung ist der Regler fluidmechanisch ausgebildet. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass der Regler rein fluidmechanisch arbeitet, d.h. seine gesamte Regelstrecke von der bzw. den Eingangsgrößen bis zu dem bzw. den Stelleingriffen, die die Umblaspassage(n) öffnen bzw. schließen, ausschließlich fluidmechanisch, insbesondere durch das Arbeitsfluid des Verdichters pneumatisch, implementiert ist, ohne dass der Regler elektronische Signale zum Regeln verwendet. Hierdurch kann der Regler insbesondere bei Stromausfall weiterarbeiten. Zusätzlich oder alternativ kann der Regler autonom ausgebildet sein. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass der Regler nur auf Basis des Arbeitsfluids, insbesondere in einer oder mehreren stromaufwärtigen Stufen, als Eingangsgrößen regelt, bzw. dass der Regler nur auf Basis einer oder mehrerer fluidmechanischer Größen einer oder mehrerer Verdichterstufen arbeitet.
  • In einer Ausführung weisen ein oder mehrere Verarbeitungsglieder des Reglers einen oder mehrere fluidmechanische, insbesondere pneumatische, Addierer, Subtrahierer, Vergleicher, Integratoren, Differenzierer, Dämpfer, Filter und/oder Begrenzer auf. Dabei wird unter einem Filter insbesondere ein Mittel verstanden, welches regelungstechnisch als Filter fungiert und vorgegebene Frequenzen einer fluidmechanischen Größe dämpft. Zusätzlich oder alternativ kann ein Filter auch ein Mittel sein, welches strömungstechnisch als Filter fungiert und Fremdstoffe einer vorgegebenen Größe aus dem Fluid entfernt, mit dem der Regler betätigt wird. Insbesondere kann ein Filter hierzu ein oder mehrere Siebe, Netze oder dergleichen aufweisen.
  • Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Verarbeitungsglieder des Reglers einen oder mehrere fluidmechanische, insbesondere pneumatische, Speicher, insbesondere Durchschnitts- und/oder Extremalwertspeicher, aufweisen. Hierdurch kann vorteilhafterweise der Betriebsverlauf des Gasturbinenverdichters dokumentiert und/oder ausgewertet werden.
  • Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Verarbeitungsglieder des Reglers einen oder mehrere fluidmechanisch betätigbare Ventile, insbesondere, vorzugsweise vorgespannte, Rückschlag- oder Stellventile aufweisen. Unter einem Ventil wird vorliegend insbesondere ein Mittel verstanden, durch das eine Fluidpassage vergrößert bzw. geöffnet und/oder verkleinert bzw. geschlossen werden kann, unter einem Rückschlagventil entsprechend ein Mittel, das ein Durchströmen einer Fluidpassage nur in einer Strömungsrichtung gestattet.
  • In einer Ausführung ist der Regler temperaturabhängig regelnd ausgebildet. Hierzu kann er beispielsweise eine oder mehrere temperaturabhängige Ventile aufweisen, die bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur öffnen oder schließen.
  • In einer Ausführung ist der Regler zur Ausgabe eines elektrischen Signals, insbesondere an einen elektronischen Gasturbinenregler, ausgebildet. Auch ein solcher Regler kann autonom im Sinne der vorliegenden Erfindung arbeiten, sofern er nur elektrische Signale ausgibt bzw. eingehende elektrische Signale keinen Einfluss auf die durch ihn implementierte Regelstrecke haben.
  • Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
    • Fig. 1: einen Teil eines Gasturbinenverdichters nach einem Beispiel des Stands der Technik im Meridianschnitt;
    • Fig. 2: einen Teil eines Gasturbinenverdichters nach einem Beispiel des Stands der Technik in Fig. 1 entsprechender Darstellung; und
    • Fig. 3: einen Teil eines Gasturbinenverdichters nach der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Erfindung in Fig. 1, 2 entsprechender Darstellung.
  • Fig. 1 zeigt einen Teil eines Gasturbinenverdichters nach einem Beispiel des Stands der Technik im Meridianschnitt mit einer stromaufwärtigen (links in Fig. 1) Verdichterstufe mit dem Laufgitter 11 und dem ihm vorgelagerten Leitgitter 21 und einer stromabwärtigen (rechts in Fig. 1) Verdichterstufe mit dem Laufgitter 12 und dem ihm nachgelagerten Leitgitter 23 sowie einem zwischen beiden Stufen angeordneten Leitgitter 22, wobei eine Drehachse des Verdichterrotors, der die Laufgitter 11, 12 trägt, strichpunktiert angedeutet ist.
  • Zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Verdichterstufe ist eine Umblaspassage ausgebildet, die im Beispiel exemplarisch radial außen und in Axialrichtung vor dem Laufgitter 11 bzw. hinter dem Laufgitter 12 mit dem Arbeitsfluid kommuniziert. Die Umblaspassage kann beispielsweise in einem Verdichtergehäuse oder Verdichterrotor wenigstens teilweise integral ausgebildet und/oder durch Schlauchleitungen oder dergleichen definiert sein.
  • In der Umblaspassage ist ein vorgespanntes Rückschlagventil 100 angeordnet, das die Umblaspassage für das Arbeitsfluid des Verdichters öffnet, wenn der Druck der stromabwärtigen Verdichterstufe den Druck der stromaufwärtigen Verdichterstufe um mehr als einen vorgegebenen Wert überschreitet, der durch die vorgespannte Druckfeder des Rückschlagventils 100 vorgegeben ist.
  • Das Rückschlagventil 100 bildet das einzige Verarbeitungsglied eines Reglers zum Öffnen und Schließen der Umblaspassage, durch den Verdichterpumpen reduziert wird: sinkt die Druckdifferenz zwischen stromauf- und stromabwärtiger Verdichterstufe unter den durch die Druckfeder vorgegebenen Wert, da beispielsweise der Druck in der stromaufwärtigen Verdichterstufe zu stark absinkt oder in der stromabwärtigen Verdichterstufe zu stark ansteigt, d.h. die Förderhöhe sich zu stark erhöht, wird selbsttätig solange Arbeitsfluid mit höherem Druck von der stromabwärtigen Verdichterstufe durch die Umblaspassage zu der stromaufwärtigen Verdichterstufe geführt, bis der Verdichter wieder im stabilen Bereich arbeitet.
  • Dabei wird das Verarbeitungsglied rein fluidmechanisch betätigt, der Regler arbeitet fluidmechanisch autonom ohne Stromversorgung oder Steuersignale eines Gasturbinenreglers. Hierdurch kann schnell und zuverlässig, auch bei Stromausfall, auf, insbesondere transiente, Betriebszustände des Verdichters reagiert werden.
  • Das Verarbeitungsglied verknüpft die beiden Eingangsgrößen "Druck der stromabwärtigen Verdichterstufe" und "Druck der stromaufwärtigen Verdichterstufe" fluidmechanisch als Subtrahierer und vergleicht sie fluidmechanisch mit dem durch die Druckfeder vorgegebenen Wert. Es fungiert zusätzlich als Erfassungsglied zur Erfassung der beiden fluidmechanischen Größen "Druck der stromabwärtigen Verdichterstufe" und "Druck der stromaufwärtigen Verdichterstufe" und als fluidmechanisch betätigtes Stellglied, das die Umblaspassage öffnet bzw. schließt.
  • Fig. 2 zeigt in Fig. 1 entsprechender Darstellung einen Teil eines Gasturbinenverdichters nach einem Beispiel des Stands der Technik. Mit dem vorstehend beschriebenen Beispiel übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die obigen Beispiele Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede zum Beispiel nach Fig. 1 eingegangen wird.
  • In Fig. 2 ist der Regler ebenfalls rein fluidmechanisch und autonom ausgebildet, jedoch komplexer als in Fig. 1, insbesondere weist er mehrere fluidmechanisch betätigbare Verarbeitungsglieder auf: Arbeitsfluid der stromaufwärtigen Verdichterstufe beaufschlagt zunächst einen fluidmechanischen Dämpfer 400 und wird anschließend durch eine Drossel 300 einem vorgespannten Stellventil 200 zugeführt. Analog beaufschlagt Arbeitsfluid der stromabwärtigen Verdichterstufe einen fluidmechanischen Dämpfer 401 und wird durch eine Drossel 301 dem Stellventil 200 zugeführt.
  • Das vorgespannte Stellventil 200 ist als sogenanntes "inverse shuttle valve" ausgebildet, wie es beispielsweise von der Firma The Lee Company (USA) vertrieben wird, auf die auch bezüglich anderer fluidmechanisch betätigbarer Verarbeitungsglieder ergänzend verwiesen wird. Es ist durch eine Druckfeder vorgespannt und derart ausgebildet, dass es in dem in Fig. 2 dargestellten Zustand einen fluidmechanisch betätigbaren Verstärker 500 mit Arbeitsfluid der stromabwärtigen Verdichterstufe beaufschlagt, das durch den Dämpfer 401 und die Drossel 301 geführt wurde, solange der Druck der stromabwärtigen Verdichterstufe nach Dämpfer 401 und Drossel 301 den Druck der stromaufwärtigen Verdichterstufe nach Dämpfer 400 und Drossel 300 um mehr als einen vorgegebenen Wert überschreitet, der durch die vorgespannte Druckfeder des Stellventils 200 vorgegeben ist. Hierdurch wird der Verstärker 500 geschlossen, der seinerseits die Umblaspassage zwischen stromaufwärtiger und stromabwärtiger Verdichterstufe schließt.
  • Sinkt diese Druckdifferenz unter den durch die Druckfeder vorgegebenen Wert, da beispielsweise der Druck in der stromaufwärtigen Verdichterstufe zu stark absinkt oder in der stromabwärtigen Verdichterstufe zu stark ansteigt, d.h. die Förderhöhe sich zu stark erhöht, wird umgekehrt der Verstärker 500 mit Arbeitsfluid der stromaufwärtigen Verdichterstufe beaufschlagt, das durch den Dämpfer 400 und die Drossel 300 geführt wurde. Entsprechend öffnet der Verstärker 500 nun die Umblaspassage zwischen stromaufwärtiger und stromabwärtiger Verdichterstufe, so dass selbsttätig solange Arbeitsfluid mit höherem Druck von der stromabwärtigen Verdichterstufe durch die Umblaspassage zu der stromaufwärtigen Verdichterstufe geführt wird, bis der Verdichter wieder im stabilen Bereich arbeitet.
  • Durch die miteinander fluidmechanisch verknüpft bzw. verschalteten, ihrerseits fluidmechanisch betätigbaren Verarbeitungsglieder 200, 300, 301, 400, 401 und 500 ist ein fluidmechanisch autonomer mehrstufiger Regler implementiert. Dabei kann durch die Dämpfer 400, 401, die Drosseln 300, 301, die Abstimmung insbesondere der Federn und/oder Flächen des Stellventils 200 und/oder Verstärkers 500 die Regelstrecke, die durch diesen Regler implementiert ist, optimal auf das Betriebsverhalten des Gasturbinenverdichters abgestimmt werden.
  • Fig. 3 zeigt in Fig. 1, 2 entsprechender Darstellung einen Teil eines Gasturbinenverdichters nach der vorliegenden Erfindung. Mit den vorstehend beschriebenen Beispielen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die obigen Beispiele Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede zu den Beispielen nach Fig. 1, 2 eingegangen wird.
  • In Fig. 3 ist zwischen der stromabwärtigen Verdichterstufe mit dem Laufgitter 12 und dem ihm nachgelagerten Leitgitter 23 und der stromaufwärtigen Verdichterstufe mit dem Laufgitter 11 und dem ihm vorgelagerten Leitgitter 21 außer dem Leitgitter 22 eine mittlere Verdichterstufe mit einem Laufgitter 10 und einem ihm vorgelagerten Leitgitter 20 angeordnet.
  • Ein Stellventil 201 ist durch eine Druckfeder vorgespannt und derart ausgebildet, dass es in dem in Fig. 3 dargestellten Zustand eine Umblaspassage zwischen der stromabwärtigen Verdichterstufe mit dem Laufgitter 12 und dem ihm nachgelagerten Leitgitter 23 und der stromaufwärtigen Verdichterstufe mit dem Laufgitter 11 und dem ihm vorgelagerten Leitgitter 21 sperrt, solange der Druck der stromabwärtigen Verdichterstufe den Druck der mittleren Verdichterstufe mit dem Laufgitter 10 und dem ihm vorgelagerten Leitgitter 20 nach einer Drossel 302 um mehr als einen vorgegebenen Wert überschreitet, der durch die vorgespannte Druckfeder des Stellventils 201 vorgegeben ist.
  • Sinkt diese Druckdifferenz unter den durch die Druckfeder vorgegebenen Wert, da beispielsweise der Druck in der mittleren Verdichterstufe zu stark absinkt oder in der stromabwärtigen Verdichterstufe zu stark ansteigt, d.h. die Förderhöhe sich zu stark erhöht, öffnet das Stellventil 201 nun die Umblaspassage zwischen stromaufwärtigen und stromabwärtiger Verdichterstufe, so dass selbsttätig solange Arbeitsfluid mit höherem Druck von der stromabwärtigen Verdichterstufe durch die Umblaspassage zu der stromaufwärtigen Verdichterstufe geführt wird, bis der Verdichter wieder im stabilen Bereich arbeitet. Durch das Einblasen von Arbeitsfluid von der stromabwärtiger Verdichterstufe in die stromaufwärtige Verdichterstufe wird insbesondere ein Verdichterpumpen in der mittleren Verdichterstufe verhindert oder reduziert, das aus einem Abfall der Druckdifferenz zwischen mittlerer und stromabwärtiger Verdichterstufe resultiert.
    • Bezugszeichenliste
    • 10, 11, 12
    Laufgitter
    20, 21, 22, 23
    Leitgitter
    100
    vorgespanntes Rückschlagventil
    200; 201
    vorgespanntes Stellventil ("shuttle valve")
    300, 301; 302
    Drossel
    400, 401
    fluidmechanischer Dämpfer
    500
    fluidmechanischer Verstärker

Claims (9)

  1. Gasturbinenverdichter, insbesondere Flugtriebwerkverdichter, mit wenigstens drei Verdichterstufen (10, 11, 12), einer Umblaspassage zur Rückführung von Arbeitsfluid von einer stromabwärtigen zu einer stromaufwärtigen Stufe, und einem Regler zum Öffnen und Schließen der Umblaspassage, um ein Verdichterpumpen zu reduzieren, wobei der Regler wenigstens ein, durch das Arbeitsfluid, fluidmechanisch betätigbares Verarbeitungsglied (100; 200, 300, 301, 400, 401, 500; 201, 302) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler durch Arbeitsfluid einer zwischen dieser stromabwärtigen und stromaufwärtigen Stufe (11, 12) angeordneten mittleren Stufe (10) betätigt wird.
  2. Gasturbinenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler fluidmechanisch autonom ausgebildet ist.
  3. Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler zur Erfassung und fluidmechanischen Verarbeitung wenigstens einer fluidmechanischen Größe wenigstens einer Verdichterstufe ausgebildet ist.
  4. Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler einen fluidmechanischen Addierer, Subtrahierer, Vergleicher, Integrator, Differenzierer, Dämpfer (400, 401), Filter und/oder Begrenzer aufweist.
  5. Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler einen fluidmechanischen Speicher, insbesondere einen Durchschnitts- und/oder Extremalwertspeicher, aufweist.
  6. Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler ein fluidmechanisch betätigbares Ventil, insbesondere ein, insbesondere vorgespanntes, Rückschlag- oder Stellventil (100; 200; 201) und/oder eine Drossel (300,301; 302) aufweist.
  7. Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler temperaturabhängig regelnd ausgebildet ist.
  8. Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler zur Ausgabe eines elektrischen Signals, insbesondere an einen elektronischen Gasturbinenregler, ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Reduzieren eines Verdichterpumpens in einem Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler fluidmechanisch autonom arbeitet.
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