DE102005045255A1 - Improved compressor in axial design - Google Patents

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Abstract

Ein verbesserter Verdichter in Axialbauart für ein Gasturbinentriebwerk, wobei der Verdichter zumindest einen Rotor mit Laufschaufeln und ein über seine axiale Länge mehrteilig aufgebautes Verdichtergehäuse mit Leitschaufeln aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein steuer- bzw. regelbares Gehäusekühlsystem zur thermischen Anpassung des Verdichtergehäuses an den Rotor vorgesehen ist.An improved axial compressor for a gas turbine engine, wherein the compressor has at least one rotor with rotor blades and a multi-part compressor housing with guide vanes over its axial length, is characterized in that a controllable or regulatable housing cooling system for thermal adaptation of the compressor housing to the rotor is provided.

Description

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Verdichter in Axialbauart nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an improved compressor in axial design according to the preamble of claim 1.

Heutige Strahltriebwerke werden in der Regel mit einem Axialverdichter versehen. Der Vorteil eines Axialverdichters liegt in der Fähigkeit, große Druckverhältnisse bei hohem Durchsatz zu liefern. Ferner ist der Einfluss auf die Strömung wesentlich günstiger, als bei Radialverdichtern. Bei Axialverdichtern läuft die Hauptströmung parallel zur Triebwerkslängsachse, wodurch nahezu keine Umlenkverluste entstehen.today Jet engines are usually provided with an axial compressor. The advantage of an axial compressor is the ability to large pressure conditions to deliver at high throughput. Furthermore, the influence on the flow much cheaper, as in centrifugal compressors. In axial compressors runs the mainstream parallel to the engine's longitudinal axis, causing almost no deflection losses.

Ein herkömmlicher Axialverdichter weist verschiedene Bauteile auf. Hierzu gehören das Eintrittsgehäuse, das Verdichtergehäuse mit den Leitschaufeln, der Verdichterrotor mit den Laufschaufeln und das Austrittsgehäuse.One conventional Axial compressor has various components. These include the Inlet casing, the compressor housing with the vanes, the compressor rotor with the blades and the exit housing.

Die in das Triebwerk einströmende Luft passiert zunächst das Eintrittsgehäuse. Die Rückseite des Eintrittsgehäuses ist häufig als Flansch ausgebildet, der mehrere Bohrungen besitzt und auf diese Weise mit dem Verdichtergehäuse verschraubt wird.The entering the engine Air passes first the inlet housing. The back of the inlet housing is common formed as a flange, which has several holes and in this way with the compressor housing is screwed.

Die Innenseite des Verdichtergehäuses trägt die Leitschaufeln. Hierzu sind in Umfangsrichtung beispielsweise T-förmige Schlitze vorgesehen, in welche die Leitschaufelkränze einführbar sind. An bestimmten Stellen besitzt das Gehäuse über den gesamten Umfang Abblaseluftkanäle, durch die verdichtete Luft entnommen werden kann. Die Abblaseluft kann verwendet werden, um das Betriebsverhalten des Verdichters bei bestimmten Betriebsbedingungen zu verbessern. In diesem Fall wird die entnommene Luft nicht weiterverwendet und ins Freie geleitet. Ein bestimmter Anteil der verdichteten Abblaseluft wird ständig entnommen und versorgt verschiedene Systeme. Hierzu gehören beispielsweise die Erhaltung eines gleichmäßigen Kabinendrucks, die Temperierung elektronischer Geräte, etc.The Inside the compressor housing wears the Vanes. For this purpose, in the circumferential direction, for example, T-shaped slots provided, in which the guide vane rings are insertable. In certain places owns the case over the entire Circumference blow-off air ducts, can be removed through the compressed air. The blow-off air Can be used to control the performance of the compressor to improve under certain operating conditions. In this case the extracted air is not reused and discharged to the outside. A certain proportion of the compressed blow-off air is constantly removed and supplies various systems. These include conservation, for example a uniform cabin pressure, the Temperature control of electronic devices, Etc.

Im Triebwerk dient die Abblase- oder Zapfluft auch zur Erwärmung der Stützstreben des Eintrittsgehäuses und zur Kühlung der heißen Turbinenschaufeln.in the Engine is the bleed or bleed air also for heating the support struts of the entry housing and for cooling the hot turbine blades.

Das Austrittsgehäuse leitet die vom Verdichter gelieferte Luft der nachgeschalteten Brennkammer zu. Zur Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit sind die Kanäle diffusorförmig ausgebildet. Die vom Verdichtergehäuse kommenden Kräfte werden über einen ringförmigen Flansch in das Austrittsgehäuse eingeleitet.The outlet housing directs the air supplied by the compressor downstream of the combustion chamber to. To reduce the flow velocity are the channels diffuser-shaped educated. The coming of the compressor housing forces are over a annular Flange in the outlet housing initiated.

2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein bekanntes Hochdruckverdichtergehäuse. Hier sind an der Gehäuseinnenwand Leitschaufeln 2 angeordnet, die sich zum Austritt hin radial kleiner werdend mit Laufschaufeln 3 abwechseln. Radial weiter außen weist das Verdichtergehäuse 1 eine Ummantelung 9 auf, wodurch eine Kammer 13 zwischen der Ummantelung 9 und den Sektionen 4, 5, 6 gebildet wird. Die Gehäusesektionen sind dabei über radial hohe Flansche 17, 18 mit Schrauben mit enger Lochteilung miteinander verbunden. Das thermische Verhalten der Sektionen 4, 5, 6 wird u.a. durch eine massive Ausführung an das thermisch träge Verhalten des Rotors angepasst. Die thermische Abstimmung von Verdichter und Rotor, d.h. die Spaltbreite zwischen Verdichtergehäusewand und Laufschaufelspitzen, kann hier im Grunde nur für einen Betriebspunkt erfolgen. 2 shows a schematic longitudinal section through a known high pressure compressor housing. Here are on the housing inner wall vanes 2 arranged, which towards the outlet radially decreasing with blades 3 alternate. Radially further out points the compressor housing 1 a sheath 9 on, creating a chamber 13 between the shell 9 and the sections 4 . 5 . 6 is formed. The housing sections are via radially high flanges 17 . 18 connected with screws with a narrow hole pitch. The thermal behavior of the sections 4 . 5 . 6 is adapted to the thermally inert behavior of the rotor, among other things, by a massive design. The thermal adjustment of compressor and rotor, ie the gap width between the compressor housing wall and blade tips, can basically only be done for one operating point here.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden und einen verbesserten Verdichter in Axialbauart zur Verfügung zu stellen, dessen thermisches Verhalten für verschiedene Betriebspunkte optimiert werden kann.Of the The invention is therefore based on the object, the disadvantages of the known solutions to avoid and an improved compressor in Axialbauart for disposal to provide its thermal behavior for different operating points can be optimized.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen verbesserten Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These The object is achieved by a improved compressor with the features of claim 1 solved. Advantageous embodiments and further developments of the invention are in the dependent claims specified.

Ein erfindungsgemäßer, verbesserter Verdichter in Axialbauart für ein Gasturbinentriebwerk, wobei der Verdichter zumindest einen Rotor mit Laufschaufeln und ein über seine axiale Länge mehrteilig aufgebautes Verdichtergehäuse mit Leitschaufeln aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein steuer- bzw. regelbares Gehäusekühlsystem zur thermischen Anpassung des Verdichtergehäuses an den Rotor vorgesehen ist.One inventive, improved Compressors in axial design for a gas turbine engine, wherein the compressor at least one rotor with blades and an over its axial length having a multi-part compressor housing with guide vanes, is characterized in that a controllable or controllable housing cooling system provided for the thermal adaptation of the compressor housing to the rotor is.

Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden, und die thermische Abstimmung kann über den gesamten Betriebsbereich erfolgen. Dabei kann die Kühlung durch Abblaseluft erfolgen, die bei Bedarf über die Gehäusesektionen geführt wird und somit ein zu schnelles Aufheizen besonders der hinteren Gehäusestufen verhindert. Durch beispielsweise Eingabe von Steuerkurven, kann die Luftmenge and die jeweilige Rotorbewegung in einem Betriebspunkt angepasst werden.hereby the disadvantages of the prior art are avoided, and the Thermal tuning can over the entire operating range. The cooling can through Blow-off air, which is guided over the housing sections as required and thus too fast heating especially of the rear housing stages prevented. For example, by entering cams, can the amount of air and the respective rotor movement in one operating point be adjusted.

Durch das thermische Anpassen des Gehäuses an den Rotor kann der Luftspalt zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse für die gesamten Betriebspunkte optimiert werden. Damit verbunden ist eine Erhöhung von Pumpgrenze und Wirkungsgrad. Die Arbeitslinie kann angehoben werden und das Gesamtdruckverhältnis kann erhöht werden.By thermally matching the housing to the rotor, the air gap between the blade tips and the housing can be optimized for the overall operating points. This is associated with an increase of surge limit and we ciency. The working line can be raised and the total pressure ratio can be increased.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zur Kühlung ein Luftführungsrohr vorgesehen ist, das Abblaseluft über das Verdichtergehäuse führt. Durch die entsprechende Ausbildung von beispielsweise Luftführungsschlitzen, Luftführungskanälen, Ventilen und Kühlflächen wird die sonst gestaute, erwärmte Luft abgeführt und das Ausdehnungsverhalten insbesondere der Verdichtergehäuseelemente in den höheren Verdichterstufen an die jeweilige Ausdehnung des Rotors und der Laufschaufeln angepasst.A advantageous development of the present invention provides that for cooling an air duct is provided, the blow-off air over the compressor housing leads. Through the appropriate design of, for example, air ducts, Air ducts, valves and cooling surfaces the otherwise jammed, heated Air dissipated and the expansion behavior, in particular of the compressor housing elements in the higher ones Compressor stages to the respective extent of the rotor and the Adjusted blades.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Regeleinheit zum Regeln des Kühlluftstroms über das Verdichtergehäuse vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass im Gegensatz zum Abfahren von Steuerkurven tatsächliche Verhältnisse berücksichtigt werden, d.h. auch bei Abweichungen vom Normalzustand an einem Betriebspunkt wird das Verdichtergehäuse optimal abgestimmt.A further advantageous embodiment of the The invention provides that a control unit for controlling the cooling air flow over the compressor housing is provided. This has the advantage that in contrast to the departure actual cams conditions considered are, i. even with deviations from the normal state at an operating point becomes the compressor housing optimally matched.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass einzelne Sektionen des Verdichtergehäuses axial miteinander über ein Luftführungsrohr verspannt sind. Durch die axiale Verspannung über ein Luftführungsrohr können die sonst üblichen Schraubverbindungen an den einzelnen Gehäusesektionen entfallen, was zu einer Gewichts reduzierung beiträgt. Dies führt wiederum zu einer Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Fernre wird durch Wegfall der Flanschverschraubung die Wartung und Montage erheblich erleichtert, was ebenfalls zur Kostenersparnis beiträgt.A further advantageous embodiment of the Invention provides that individual sections of the compressor housing axially over each other an air duct are tense. Due to the axial tension via an air guide tube can the usual ones Screw connections on the individual housing sections account for what contributes to weight reduction. This in turn leads to a reduction specific fuel consumption. Fernre will be eliminated Flange fitting considerably simplifies maintenance and installation, which also contributes to cost savings.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Verdichter ein Hochdruckverdichter ist. Hier ist die Wirkung der Gehäusekühlung am effektivsten, da hier die Gehäuseerwärmung durch die verdichtete Luft am größten ist.A further advantageous embodiment of the Invention provides that the compressor is a high pressure compressor is. Here is the effect of housing cooling most effective, here the case warming through the compressed air is the largest.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass Temperaturfühler zur Überwachung der Gehäusetemperatur vorgesehen sind. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise ein geschlossener Regelkreis realisieren.A further advantageous embodiment of the Invention provides that temperature sensor for monitoring the housing temperature are provided. This leaves to realize a closed loop in a simple manner.

Schließlich sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass zumindest ein ansteuerbares Regelventil zur Regelung des Kühlluftstroms vorgesehen ist. Hierdurch wird der Massenstrom je nach Bedarf variiert.Finally sees a further advantageous embodiment the invention that at least one controllable control valve for controlling the cooling air flow is provided. As a result, the mass flow is varied as needed.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Further the invention improving measures will be described below together with the description of a preferred embodiment closer to the figures shown. Show it:

1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter; 1 a schematic longitudinal section through a compressor according to the invention;

2 einen schematischer Längsschnitt durch einen Verdichter nach dem Stand der Technik. 2 a schematic longitudinal section through a compressor according to the prior art.

Bei den abgebildeten Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Richtungsangaben beziehen sich auf die Längsachse des Axialverdichters.at the figures shown are the same or similar components with the same Provided with reference numerals. Directional information refers to the longitudinal axis of the axial compressor.

1 zeigt u.a. ein Verdichtergehäuse 1. Darin sind Leitschaufeln 2 und Laufschaufeln 3 dargestellt, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind und deren radiale Schaufelhöhe in Strömungsrichtung abnimmt. Das Verdichtergehäuse 1 besteht dabei aus mehreren, axial miteinander verspannten Sektionen 4, 5, 6, 7. Die einzelnen Sektionen 4, 5, 6, 7 sind dabei jeweils über ein Luftführungsrohr 20 verspannt, welches auch eine Ummantelung 9 des Verdichtergehäuses 1 bildet. 1 shows, inter alia, a compressor housing 1 , Inside are vanes 2 and blades 3 shown, which are arranged alternately one behind the other and whose radial blade height decreases in the flow direction. The compressor housing 1 consists of several, axially braced sections 4 . 5 . 6 . 7 , The individual sections 4 . 5 . 6 . 7 are each about an air duct 20 braced, which is also a sheath 9 of the compressor housing 1 forms.

Die Sektionen 4, 5, 6, 7 bilden zusammen mit der Ummantelung 9 jeweils ringförmige Kammern 13, 14, 15, die sich jeweils über einen Laufschaufelkranz erstrecken. Je nach Erwärmung des Verdichtergehäuses 1 bzw. einzelner Sektionen 4, 5, 6, 7, ändert sich der Spalt zwischen Rotor und Verdichtergehäuseinnenseite. Hier greift nun die vorliegende Erfindung. Über einen Abblaselufteintritt 10 wird Luft bei Bedarf über ein Regelventil 11 und einen Abblaseluftanschluss 12 nicht vollständig entnommen, sondern zumindest teilweise über Luftdurchtritte 8 den Kammern 13, 14, 15 über den hinteren Verdichtergehäusesektionen 5, 6, 7 zugeführt. Die Luftströmung der Abblaseluft bei zugeschalteter Gehäusekühlung ist in der Zeichnung mit etwa horizontalen Pfeilen dargestellt. Die Luft wird dabei vom Abblaselufteintritt zu den hinteren Stufen geführt, wo sie die Kammer 15 über mindestens eine Austrittsöffnung 19 verlässt.The sections 4 . 5 . 6 . 7 make up together with the sheath 9 each annular chambers 13 . 14 . 15 each extending over a blade ring. Depending on the heating of the compressor housing 1 or individual sections 4 . 5 . 6 . 7 , the gap between the rotor and the compressor housing inner side changes. Here is the present invention. About a blown air inlet 10 If necessary, air is supplied via a control valve 11 and a bleed air connection 12 not completely removed, but at least partially through air passages 8th the chambers 13 . 14 . 15 over the rear compressor housing sections 5 . 6 . 7 fed. The air flow of the blown air with switched housing cooling is shown in the drawing with approximately horizontal arrows. The air is thereby guided by the blown air inlet to the rear stages, where they are the chamber 15 via at least one outlet opening 19 leaves.

Hierdurch wird ein schnelles Aufheizen in den hinteren Gehäusestufen verhindert. Durch Regelung der Luftmenge kann eine Anpassung an die Rotorbewegung erfolgen, d. h. durch das gekühlte Gehäuse kann die Abstimmung über den gesamten Betriebsbereich erfolgen. Durch die thermische Anpassung des Gehäuses an den Rotor mit den Laufschaufeln kann der Luftspalt für die gesamten Betriebspunkten optimiert werden. Damit verbunden ist eine Erhöhung der Pumpgrenze und des Wirkungsgrads. Die Arbeitslinie kann angehoben, und das gesamte Druckverhältnis kann erhöht werden.hereby prevents rapid heating in the rear housing stages. By Control of the amount of air can be an adaptation to the rotor movement take place, d. H. through the chilled casing can vote over the entire operating range. Due to the thermal adaptation of the housing to the rotor with the blades, the air gap for the entire Operating points are optimized. This is associated with an increase in Surge limit and efficiency. The working line can be raised, and the entire pressure ratio can be increased become.

Ferner können durch die axiale Verspannung über das Luftführungsrohr die geschraubten Verbindungen an den einzelnen Gehäusesektionen entfallen, was zu einer Gewichtsreduzierung und Montageerleichterung führt.Furthermore, by the axial tension over the air guide tube, the screwed connec ments on the individual housing sections omitted, which leads to a reduction in weight and ease of assembly.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der prinzipiellen Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The Restricted invention in their execution not to the above-mentioned, preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which of the principal solution also in other types Make use.

11
Verdichtergehäusecompressor housing
22
Laufschaufelblade
33
Laufschaufelblade
44
Sektionsection
55
Sektionsection
66
Sektionsection
77
Sektionsection
88th
LuftdurchtrittAir passage
99
Ummantelungjacket
1010
AbblaselufteintrittAbblaselufteintritt
1111
Regelventilcontrol valve
1212
AbblaseluftanschlussAbblaseluftanschluss
1313
Kammerchamber
1414
Kammerchamber
1515
Kammerchamber
1616
Spaltgap
1717
Flanschflange
1818
Flanschflange
1919
Austrittsöffnungoutlet opening
2020
LuftführungsrohrAir guide tube

Claims (7)

Verbesserter Verdichter in Axialbauart für ein Gasturbinentriebwerk, wobei der Verdichter zumindest einen Rotor mit Laufschaufeln (3) und ein über seine axiale Länge mehrteilig aufgebautes Verdichtergehäuse (1) mit Leitschaufeln (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuer- bzw. regelbares Gehäusekühlsystem zur thermischen Anpassung des Verdichtergehäuses (1) an den Rotor vorgesehen ist.An improved axial-flow compressor for a gas turbine engine, wherein the compressor comprises at least one rotor with blades ( 3 ) and over its axial length multi-part constructed compressor housing ( 1 ) with vanes ( 2 ), characterized in that a controllable or adjustable housing cooling system for the thermal adaptation of the compressor housing ( 1 ) is provided to the rotor. Verbesserter Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftführungsrohr (20) vorgesehen ist, das Abblaseluft aus dem Verdichter über das Verdichtergehäuse (1) führt.An improved compressor according to claim 1, characterized in that an air duct ( 20 ), the blow-off air from the compressor via the compressor housing ( 1 ) leads. Verbesserter Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit zum Regeln des Kühlluftstroms über das Verdichtergehäuse (1) vorgesehen ist.Improved compressor according to claim 1 or 2, characterized in that a control unit for controlling the cooling air flow through the compressor housing ( 1 ) is provided. Verbesserter Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Sektionen (4 bis 7) des Verdichtergehäuses (1) axial miteinander über das Luftführungsrohr (20) verspannt sind.Improved compressor according to one of claims 1 to 3, characterized in that individual sections ( 4 to 7 ) of the compressor housing ( 1 ) axially with each other via the air guide tube ( 20 ) are braced. Verbesserter Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein Hochdruckverdichter ist.An improved compressor according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the compressor is a high pressure compressor is. Verbesserter Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturfühler zur Überwachung der Temperatur des Verdichtergehäuses (1) vorgesehen sind.Improved compressor according to one of claims 1 to 5, characterized in that temperature sensor for monitoring the temperature of the compressor housing ( 1 ) are provided. Verbesserter Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein ansteuerbares Regelventil (11) zur Regelung des Kühlluftstroms vorgesehen ist.Improved compressor according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one controllable control valve ( 11 ) is provided for controlling the cooling air flow.
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