DE102005052466A1 - Mehrstufiger Verdichter für eine Gasturbine mit Abblasöffnungen und Einblasöffnungen zum Stabilisieren der Verdichterströmung - Google Patents

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Abstract

Ein mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine mit einem Verdichtergehäuse (2), Leitschaufeln (7), Laufschaufeln (6), einem Nabenbereich (3), Abblasöffnungen (5) und Einblasöffnungen (4) zum Stabilisieren des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasöffnungen (5) zumindest eine Stufe stromabwärts von den Einblasöffnungen (4) angeordnet sind. Hierdurch werden die Probleme des Standes der Technik gelöst und deutlich verbesserte Wirkungsgrade und ein reduziertes Triebwerksgewicht ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter für eine Gasturbine mit einem Verdichtergehäuse, Leitschaufeln, Laufschaufeln, einem Nabenbereich, Abblasöffnungen und Einblasöffnungen zum Stabilisieren des Verdichters
  • Bei Gasturbinen wird der Verdichter für bestimmte Flugzustände ausgelegt. Für diese Auslegungspunkte muss der Verdichter die vorausberechneten Kennwerte wie Durchsatz, Druckverhältnis, Wirkungsgrad etc. erbringen. Zusätzlich muss der Verdichter aber auch in einem breit Drehzahlbereich jenseits der Auslegungspunkte noch akzeptable und sichere Betriebseigenschaften aufweisen. Dieses Teillastverhalten oder auch transiente Verhalten, bei dem nicht die volle Triebwerksleistung verlangt wird, ist besonders wichtig bei Flugantrieben, z.B. im Landeanflug eines Flugzeuges, wo beispielsweise zur Einhaltung des Gleitpfades schnelle Schubänderungen und damit rasche Drehzahländerungen erforderlich sind. Aber auch beim Anlassen, d.h. im unteren Drehzahlbereich, muss der Verdichter für eine einwandfreie Strömung sorgen und ein schnelles Hochfahren auf Volllast ermöglichen.
  • Zur Bestimmung des Teillastverhaltens wird ein Verdichterkennfeld vermessen, bei dem der sichere Betriebsbereich um den Auslegungspunkt entlang einer so genannten Fahrlinie ermittelt wird. Die Fahrlinie verbindet dabei Betriebspunkte auf unterschiedlichen Drehzahllinien und weist einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur so genannten Pumpgrenze auf. Als Pumpen oder Surge wird dabei der Strömungsabriss an den Verdichterschaufeln bezeichnet.
  • Im Kennfeld eines Verdichters lassen sich Betriebsbereiche identifizieren, die unter bestimmten Umständen hinsichtlich des vorhandenen Pumpgrenzabstands kritisch sind, beispielsweise transiente Manöver eines von der Gasturbine angetriebenen Flugzeuges. Diese kurzfristig vorliegenden Betriebszustände bestimmen maßgeblich den in der Auslegung vorzuhaltenden Pumpgrenzabstand.
  • Grundsätzlich ist bekannt, dass durch Einblasen von Luft in den Gehäusebereich eines Verdichters die Pumpgrenze unter bestimmten Bedingungen zu niedrigeren Durchsätzen verschoben werden kann. In der Literatur sind verschiedene Eingriffe zur Stabilisierung von Verdichtern beschrieben, so zum Beispiel die Abblasung von Verdichterluft durch Abblasventile, die so genannten Bleed Valves, Einblasen von Luft über Rezirkulation, Verstellen variabeler Leitschaufeln im Verdichter oder Modulation der Kraftstoffzufuhr. Der Eingriff wird in den meisten Fällen durch eine nicht näher beschriebene Vorankündigung einer möglichen Instabilität ausgelöst. Dazu sind in der Mehrzahl der Veröffentlichungen Druckmessungen an verschiedenen Stellen eines Verdichters als Eingangsgrößen für eine Regelung vorgesehen.
  • Die US 5,607,284 offenbart ein Verdichtergehäuse mit Rezirkulationskanälen. Dabei wird in der Schaufelspitzenabdeckung einer Laufschaufelstufe ein ringförmiges Segment angeordnet, welches Abblasöffnungen auf der stromabwärts gelegenen Schaufelseite und Einblasöffnungen auf der stromaufwärts gelegenen Schaufelseite aufweist. Die Ablass- und Einblasöffnungen sind dabei durch von Strömungsleitelementen unterbrochenen Kanäle verbunden. Hierdurch wird ein kontinuierlicher ungeregelter Rückfluss erzeugt, der präventiv einen Strömungsabriss und damit verbundenes Pumpen verhindern soll. Eine entsprechende Anordnung ist beispielhaft schematisch in 3 dargestellt.
  • 3 zeigt eine Anordnung eines Verdichters 1 vom Stand der Technik. Dabei sind die Abblaseöffnung 5 und die Einblasöffnung 4 an der selben Stufe, d.h. hier über der selben Laufschaufel 6 angeordnet. Ventile oder Düsen sind hier nicht vorhanden. Eine Regelung der Einblasluft bzw. des Einblasvorgangs erfolgt auch nicht. Vielmehr wird eine permanente Rezirkulation der Luft über einer Stufe verbunden mit den entsprechenden Verlusten erzeugt.
  • Nachteil hierbei ist zum einen, dass durch den kontinuierlichen Rückfluss auch Leistungseinbußen hinzunehmen sind, selbst wenn keine Pumpgefahr besteht. Außerdem wird durch die Rezirkulation der Strömung an der selben Stufe häufig nicht genügend energiereiche Strömung zugeführt, weshalb diese Lösung bei besonders kritischen Betriebsbedingungen alleine nicht ausreicht, um ein Pumpen zu verhindern.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten technischen Probleme des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Lösung zur Verfügung zu stellen, die deutliche Verbesserungen bezüglich Wirkungsgrad und eine reduziertes Triebwerksgewicht erzielt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Durch die Erfindung werden die Probleme des Standes der Technik gelöst und deutlich verbesserte Wirkungsgrade und ein reduziertes Triebwerksgewicht ermöglicht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein mehrstufiger Verdichter für eine Gasturbine mit einem Verdichtergehäuse, Leitschaufeln, Laufschaufeln, einem Nabenbereich, Abblasöffnungen und Einblasöffnungen zum Stabilisieren der Verdichterströmung vorgesehen, der dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasöffnungen zumindest eine Stufe stromabwärts von den Einblasöffnungen angeordnet sind.
  • Hierdurch lassen sich deutliche Verbesserungen bezüglich Wirkungsgrad und Triebwerksgewicht erzielen, da der Verdichter mit einem so geringen Pumpgrenzabstand ausgelegt werden kann, dass er im stationären Betrieb stabil betrieben werden kann und der Pumpgrenzabstand durch einen Regeleingriff nur kurzzeitig in kritischen Betriebsbedingungen sichergestellt werden kann.
  • Die Mehrzahl der kritischen Betriebszustände tritt im transienten Bereich auf, wenn der Verdichter in Teillast betrieben wird. In diesem Betriebsbereich sind üblicherweise die Frontstufen stabilitätsbestimmend, da hier die Strömung als erstes ablöst und der Verdichter zu pumpen beginnt. Gemäß der hier angegebenen erfindungsgemäßen Lösung wird während einem als kritisch erkannten Betriebszustand Luft mit ausreichend hohem Druck aus einer der hinteren Verdichterstufen abgezapft und vor oder über der instabilitätsauslösenden Stufe mit hoher Übergeschwindigkeit im kritischen Querschnitt der Frontstufen wieder eingeblasen. Die Druckdifferenz zwischen Abzapf- und Einblasstelle muss so gewählt werden, dass die geforderte Übergeschwindigkeit erreicht werden kann, was durch einen entsprechenden Stufenabstand von Abblasestelle zu Einblasstelle gewährleistet wird. Die Luft kann über Rohrleitungen oder Hohlräume im Gehäuse zu den Frontstufen geführt werden und dort über mehrere über den Umfang verteilte Öffnungen eingeblasen werden.
  • Eine erste vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abblasöffnungen und die Einblasöffnungen im Verdichtergehäuse angeordnet sind. Hier lassen sich die Strömungskanäle einfach führen.
  • Eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abblasöffnungen und die Einblasöffnungen im Nabenbereich, insbesondere in einem Nabengehäuse angeordnet sind. In der Regel erfolgt hier die Rückführung der Abblaseluft über Rohrleitungen.
  • Eine dritte vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abblasöffnungen im Verdichtergehäuse und die Einblasöffnungen im Nabenbereich oder die Abblasöffnungen im Nabenbereich und die Einblasöffnungen im Verdichtergehäuse angeordnet sind. Der Übergang vom Verdichtergehäuse zum Nabenbereich kann hier über in Leitschaufeln angeordnete Leitungen erfolgen. Möglich ist auch eine Ausblasung aus die Hinterkanten stromaufwärts liegender Schaufeln oder Strukturbauteile, insbesondere sog. Struts.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass Einrichtungen zum Erkennen von kritischen Betriebsbedingungen vorgesehen sind. Dabei kann die Einrichtung zum Erkenne kritischer Betriebsbedingungen über eine Algorithmik zur Erkennung dieser Zustände aktiviert werden, oder durch eine Vorsteuerung bei solchen Manövern, die eigenständig vom System erkannt werden können oder durch ein in Echtzeit mitlaufendes Triebwerksmodell, wie beispielsweise Triebwerksbeschleunigungen oder Slams. Ferner kann auch entsprechende Sensorik verwendet werden, die als Eingang für eine entsprechende Regelung verwendbar ist.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einblasöffnungen als Düsen ausgebildet sind. Dabei sind die Düsen so angeordnet, dass die Luft möglichst parallel zur Strömung in den Ringraum eingeblasen wird. Die Geometrie der Düsen ist dabei so ausgelegt, dass die Strömungsgeschwindigkeit des eingeblasenen Luftstrahls deutlich über der Geschwindigkeit der Strömung im kritischen Querschnitt liegt.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Düsen einen variablen Querschnitt aufweisen. Hierdurch wird die Wirksamkeit der Einblasung in einem weiten Betriebsbereich sichergestellt. Die variabeln Elemente können über verschiedene Stellglieder entweder geregelt oder gesteuert eingestellt werden. Als Aktuatoren kommen Piezo-Elemente, MEMS-Bauteile, Formgedächtnislegierungen oder konventionelle elektrische oder hydraulische bzw. pneumatische Elemente in Frage.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass schnell öffnende Ventile an den Einlassöffnungen vorgesehen sind. Hierdurch wird die Reaktionszeit des Gesamtsystems gering gehalten.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Ventilsteuerung zum kontinuierlichen, modulierten oder gepulsten Einblasen von Luft in die Einblasöffnungen vorgesehen ist. Kontinuierlich bedeutet dabei, dass aus allen am Umfang verteilten Einblasstellen gleichzeitig eingeblasen wird. Bei einer modulierten Einblasung werden die am Umfang verteilten Einblasestellen unterschiedlich angesteuert, um beispielsweise einen im Ringraum umlaufenden Einblasestrahl zu erzeugen. Bei der gepulsten Einblasung wird jedes Ventil mit einer festen Frequenz geöffnet und geschlossen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Abblasöffnungen in einem Hochdruckverdichter oder in einem Mitteldruckverdichter und die Einblasöffnungen in einem Fan oder einem Niederdruckverdichter angeordnet sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass immer ausreichend energetisierte Strömung eingeblasen wird.
    •
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer bekannten Lösung gemäß dem Stand der Technik.
  • Die Richtungsangaben beziehen sich auf die Verdichterachse, soweit nicht anders angegeben. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines mehrstufigen Verdichters 1 in axialer Bauart für eine Gasturbine mit einem im wesentlichen ringförmigen Verdichtergehäuse 2, am Gehäuse angeordneten Leitschaufeln 7, auf einem Rotor angeordneten Laufschaufeln 6, einem die Rotornabe abdeckenden Nabenbereich 3, über den Umfang verteilt angeordneten Abblasöffnungen 5 und ebenfalls über den Umfang verteilt angeordneten Einblasöffnungen 4 zum Stabilisieren des Verdichters 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Strömungsrichtung ist dabei durch einen weißen Pfeil angedeutet, der in der Zeichnungsebene von links nach rechts verläuft. Dabei sind die Abblasöffnungen 5 zumindest eine Stufe stromabwärts von den mit nicht dargestellten Düsen und schnell öffnenden Ventilen versehenen Einblasöffnungen 4 angeordnet.
  • Sobald die nicht dargestellte Erkennungseinrichtung einen kritischen Verdichterbetriebszustand, d.h. einen Zustand von beinahe Pumpen oder Pumpen über eine entsprechende Algorithmik oder durch eine Vorsteuerung erkannt hat, wird Abblaseluft von der stromabwärts angeordneten Abblaseöffnung über nicht dargestellte Strömungskanäle im Verdichtergehäuse 2 an der Einblasöffnung 4 bereitgestellt. Die Rezirkulationsströmung ist in der Figur durch entsprechende Pfeile angedeutet. Durch entsprechende Ansteuerung der schnell öffnenden Ventile an den Einblasöffnungen, wird Luft mit einer ausreichenden Druckdifferenz über die in den Einblasöffnungen angeordneten Düsen in die stromaufwärts gelegene Verdichterstufe eingeblasen. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt dabei über die Erkennungseinrichtung. Als Aktuatoren diene im vorliegenden Ausführungsbeispiel Piezzo-Elemente, da diese besonders kurze Ansprechzeiten haben. Durch das Einblasen der energiereichen Strömung in den Ringraum der gefährdeten Stufe, wird ein Ablösen der Strömung verhindert und die Pumpgrenze temporär verschoben. Sobald der kritische Betriebsbereich durchfahren ist, werden die Einblasventile wieder geschlossen, um den Wirkungsgrad nicht unnötig zu verringern.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind hier die Einblasöffnungen 4 und die Abblasöffnungen 5 im Nabenbereich angeordnet. Die Rezirkulation erfolgt somit im Wellenbereich über nicht gezeigte Rohrleitungen. Die Rezirkulationsströmung ist ebenfalls durch schwarze Pfeile angedeutet. Durch die Fliehkraftwirkung an der Einblasöffnung erfährt die Einblasluft eine zusätzliche Geschwindigkeitskomponente. Ansonsten sind Funktion und Wirkung vergleichbar mit den zu 1 beschriebenen.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
    • 1
    Verdichter
    2
    Verdichtergehäuse
    3
    Nabenbereich
    4
    Einblasöffnung
    5
    Abblasöffnung
    6
    Laufschaufel
    7
    Leitschaufel

Claims (10)

  1. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine mit einem Verdichtergehäuse (2), Leitschaufeln (7), Laufschaufeln (6), einem Nabenbereich (3), Abblasöffnungen (5) und Einblasöffnungen (4) zum Stabilisieren der Verdichterströmung, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasöffnungen (5) zumindest eine Stufe stromabwärts von den Einblasöffnungen (4) angeordnet sind.
  2. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasöffnungen (5) und die Einblasöffnungen (4) im Verdichtergehäuse (2) angeordnet sind.
  3. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasöffnungen (5) und die Einblasöffnungen (4) im Nabenbereich (3) angeordnet sind.
  4. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasöffnungen (5) im Verdichtergehäuse (2) und die Einblasöffnungen (4) im Nabenbereich (3) oder die Abblasöffnungen (5) im Nabenbereich (3) und die Einblasöffnungen (4) im Verdichtergehäuse (2) angeordnet sind.
  5. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zum Erkennen von kritischen Betriebsbedingungen vorgesehen sind.
  6. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasöffnungen (4) als Düsen ausgebildet sind.
  7. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen einen variablen Querschnitt aufweisen.
  8. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass schnell öffnende Ventile an den Einlassöffnungen (4) vorgesehen sind.
  9. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilsteuerung zum kontinuierlichen, modulierten oder gepulsten Einblasen von Luft in die Einblasöffnungen (4) vorgesehen ist.
  10. Mehrstufiger Verdichter (1) für eine Gasturbine nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasöffnungen (5) in einem Hochdruckverdichter oder in einem Mitteldruckverdichter und die Einblasöffnungen (4) in einem Fan oder einem Niederdruckverdichter angeordnet sind.
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