DE102007051633A1

DE102007051633A1 - Asymmetrisches Verdichterluftentnahmeverfahren

Info

Publication number: DE102007051633A1
Application number: DE102007051633A
Authority: DE
Inventors: Steven Mark Schirle; Donald Joseph Kasperski; Nick Martin; Robert M. Zacharias; Timothy E. Dejoris
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2008-04-30
Also published as: JP2008111435A; CN101169137A; US20080101922A1; KR20080038041A

Abstract

Ein Verfahren zum Verstimmen der Aerodynamik von Rotating Stall durch Verhinderung der Entstehung kohärenter unstetiger Belastungen. Verdichterluft wird (16) in einem entlang des Umfangs asymmetrischen Muster entnommen. Das asymetrische Entnahmemuster stört das Rotationsmuster der Rotating-Stall-Zelle (10), indem es die Entstehung einer kohärenten aerodynamischen Anregung verhindert.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Industrielle Axialgasturbinen von Kraftwerken sind dazu eingerichtet, mit einer feststehenden Drehzahl und Ausgangsleistung optimal zu arbeiten. Darüber hinaus weisen herkömmliche industrielle Gasturbinenaxialverdichter beschränkte variable Stufengeometrie und Luftentnahmen auf. Diese drei Faktoren, nämlich der Betrieb mit fester Drehzahl, die beschränkte variable Stufengeometrie und die beschränkten Entnahmen, führen während der Vorgänge des Hoch- und Herunterfahrens zu wesentlichen von dem Konstruktionsziel abweichenden aerodynamischen Bedingungen. In Axialverdichtern tritt während dieser vom Konstruktionsziel abweichenden Betriebszustände umlaufender Strömungsabriss („rotating Stall") auf.
Umlaufender Strömungsabriss manifestiert sich in Form von lokalen Abrisszellen, die mit etwa der halben Laufraddrehzahl rotieren. Diese Zellen erzeugen sowohl auf die Rotor- als auch auf den Statorschaufeln kohärente unstetige aerodynamische Belastungen. Während der Rotor seine Geschwindigkeit ändert, ändert sich die Abrisszellenzahl, wodurch sich andere Knotendurchmesser einstellen. Die auf die aerodynamischen Belastungen durch umlaufenden Strömungsabriss zurückzuführende Schwingungsantwort der Rotor- und Statorschaufeln kann eine gesteigerte Anfälligkeit hinsichtlich normaler Laufschaufelschäden und vorzeitiger Ausfälle hervorrufen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung verbessert die Lebensdauer von Rotor- und Statorschaufeln in Axialverdichtern durch Eliminierung oder Reduzierung der durch umlaufenden Strömungsabriss hervorgerufenen kohärenten aerodynamischen Kräfte. Insbesondere schafft die Erfindung ein Verfahren zum Verstimmen der Aerodynamik des umlaufenden Strömungsabriss, so dass die Entstehung kohärenter unstetiger Belastungen verhindert wird.
Die Erfindung kann auch in einem Verfahren zum Steuern eines Luftstrom in einem Verdichter verwirklicht werden, wobei das Verfahren beinhaltet: Strömungsstörungen, die durch die Drehzahl einer Komponente oder durch einen von dem Konstruktionsziel abweichenden Betriebszustand entstehen; Entnahme von Strömung an einer Reihe von entlang des Umfangs asymmetrischen beabstandeten Positionen bei ausgewählten axialen Bereichen des Verdichters, so dass ein Entnahmemuster entsteht, um Strömungsstörungen entgegenzuwirken.
Die Erfindung kann auch in einem Verfahren zum Steuern eines Luftstroms in einem Verdichter verwirklicht sein, wobei das Verfahren beinhaltet: Aktivieren einer asymmetrischen Entnahme von Verdichterluft um einen Umfang des Verdichtergehäuse, um einer Störung wie umlaufendem Strömungsabriss entgegenzuwirken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht einen umlaufenden Strömungsabriss in einer schematischen Darstellung.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine asymmetrische Entnahme von Verdichterluft als ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Verdichters, der für eine asymmetrische Entnahme von Verdichterluft eingerichtet ist, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Industrielle Axialgasturbinen von Kraftwerken sind dazu eingerichtet, optimal mit einer feststehenden Drehzahl und Ausgangsleistung zu arbeiten. Darüber hinaus weisen herkömmliche industrielle Gasturbinenaxialverdichter beschränkte variable Stufengeometrie und Luftentnahmen auf. Diese drei Faktoren führen während der Vorgänge des Hoch- und Herunterfahrens zu wesentlichen von dem Konstruktionsziel abweichenden aerodynamischen Bedingungen. In Axialverdichtern kann während dieser von dem Konstruktionsziel abweichenden Betriebszustände umlaufender Strömungsabriss auftreten.
Umlaufender Strömungsabriss manifestiert sich, wie in 1 schematisch veranschaulicht, in Form lokaler Abriss- oder Stallzellen 10 die mit etwa halber Rotordrehzahl (ω_stallcells ≈ 1/2 (ω_engine) rotieren. Diese Abrisszellen üben sowohl" auf die Rotor- als auch auf die Statorschaufeln kohärente unstetige aerodynamische Belastungen 12 aus. Mit einer Änderung der Drehzahl des Rotors ändert sich auch die Abrisszellenzahl, wodurch sich andere Anregungscharakteristiken einstellen, die als Knotendurchmesser bekannt sind. Die auf die aerodynamischen Belastungen durch umlaufenden Strömungsabriss zurückzuführende Schwingungsantwort der Rotor- und Statorschaufeln kann eine gesteigerte Anfälligkeit hinsichtlich normaler Laufschaufelschäden und vorzeitiger Ausfälle hervorrufen.
Die verbesserte Lebensdauer eines Axialverdichterschaufelblatts ergibt sich aus der Eliminierung oder Reduzierung der durch den umlaufenden Strömungsabriss erzeugten kohärenten aerodynamischen Kräfte. Eine Verringerung dieser aerodynamischen Schwingungskräfte steigert die Schadenstoleranz von Laufschaufeln gegenüber normalen Betriebsschäden wie Spitzenreiben, Korrosion und auf Fremdkörper zurückzuführende Anströmkantenschäden.
Diese Erfindung verbessert die Lebensdauer von Rotor- und Statorschaufeln in Axialverdichtern durch eine Eliminierung oder Reduzierung der aerodynamischen Anregung, die aufgrund von umlaufendem Strömungsabriss auf die Rotor- und Statorschaufeln in dem Axialverdichters wirkt. Insbesondere schafft die Erfindung ein Verfahren zum Verstimmen der Aerodynamik des umlaufenden Strömungsabriss, indem sie die Entstehung kohärenter unstetiger Belastungen verhindert.
Dementsprechend und insbesondere wird eine neue Weise der Eliminierung oder Reduzierung von Störungen wie umlaufender Strömungsabriss in Verdichtern vorgeschlagen, bei spielsweise wird an eine Reihe von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Positionen an einer oder mehreren gewählten axialen Positionen (Stufe) in einer entlang des Umfangs ausgewählten Weise in Abhängigkeit von dem Ursprung der Veränderungen selektiv asymmetrisch Verdichterluft entnommen, um den von dem umlaufenden Strömungsabriss ausgehenden Strömungsstörungen entgegenzuwirken. In einem solchen Fall würde der Luftentnahmevorgang initiiert werden, d.h. einem Zustand von umlaufendem Strömungsabriss oder einem potentiellen Stallzustand würde durch asymmetrische Entnahme von Luft entgegengewirkt werden. Da dies ein betriebsmäßig identifiziertes Phänomen ist – Drehzahl der Komponente und/oder Belastung der Komponente – werden keine Sensoren benötigt.
In einem in 2 und 3 schematisch veranschaulichten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Verdichterluft durch eine Reihe von allgemein gestalteten Löchern oder Schlitzen 16 entnommen, die an der Strömungspfadaußenwand 18 in einem entlang des Umfangs asymmetrischen Muster ausgebildet sind. Das Entnahmemuster wird in Abhängigkeit von dem Knotendurchmessermuster von umlaufendem Strömungsabriss sowie der aerodynamischen Stärke der Zellen bestimmt. Das mehrere Stufen aufweisende asymmetrische Entnahmemuster stört das Rotationsmuster der umlaufenden Strömungsabriss-Zellen, und verhindert so die Entstehung einer kohärenten aerodynamischen Anregung.
3 veranschaulicht schematisch einen Axialverdichter, der mit allgemein gestalteten Luftentnahmelöchern oder Schlitzen ausgebildet ist, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die allgemein gestalteten Entnahmelöcher oder Schlitze 16 sind geeignet definiert, um durch das Verdichtergehäuse hindurch selektiv Verdichterluft zu entnehmen. Die Einlässe werden durch (nicht gezeigte) Kanäle über entsprechende (nicht gezeigte) Schnellschlussventile korrigiert, die dazu dienen, die entnommene Luft abzuführen und nach Bedarf oder Wunsch umzuleiten. Falls ähnliche Luftentnahmelöcher an mehreren axialen Orten vorgesehen sind, können die entlang des Umfangs angeordneten entsprechenden Entnahmekanäle an zwei oder mehr Stellen dasselbe Steuerungsventil gemeinsam nutzen. Falls eine in Umfangsrichtung angeordnete Reihe von Entnahmelöchern oder Schlitzen im normalen Ablauf gleichzeitig zu aktivieren sind, kann die in Umfangsrichtung angeordnete Reihe von Entnahmekanälen an ein gemeinsames Steuerungsventil angeschlossen sein. Um mit der Entnahme hochkomprimierter Luft sparsam umzugehen, sollte die Steuerungseinheit das (die) Ventil(e) schließen, sobald die Abrisszelle unterdrückt ist. In einem Ausführungsbeispiel wird die Entnahme für eine vorbestimmte Zeitspanne fortgesetzt und anschließend beendet. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Entnahme, nachdem sie initiiert ist, allmählich reduziert. Andere Entnahmeprotokolle können nach Bedarf oder Wunsch angenommen werden.
Um die Entstehung kohärenter unstetiger Belastungen zu verhindern und dadurch die Aerodynamik des umlaufenden Strömungsabriss zu verstimmen, schafft die Erfindung, wie oben erwähnt, eine Anordnung, bei der durch eine Reihe von allgemein gestalteten Löchern oder Schlitzen 16, die, wie es exemplarisch in 2 veranschaulicht ist, in einem entlang des Umfangs asymmetrischen Muster an dem Außenumfang der Strömungspfadwand 18 angeordnet sind, Verdichter luft entnommen wird. Das Entnahmemuster kann experimentell oder auf analytischem Wege als Funktion des Knotendurchmessermusters des umlaufenden Strömungsabriss sowie der aerodynamischen Stärke der Zellen ermittelt werden. Diese Entnahmen können in Abhängigkeit von der Art des umlaufenden Strömungsabriss, des erforderlichen Entnahmestroms und der Triebwerkskonstruktionsbeschränkungen an einer einzelnen axialen Position oder an mehreren axialen Positionen angeordnet sein. Wie aus 3 ersichtlich, weist dieses Ausführungsbeispiel eine asymmetrische Entnahmeanordnung mit zwei axialen Positionen auf. Die Anzahl axialer Positionen, die Umfangsbogenlängen, die Gestalt der Entnahmelöcher und deren Anzahl werden basierend auf der Art des umlaufenden Strömungsabriss definiert. Das asymmetrische mehrere Stufen aufweisende Entnahmemuster stört das Rotationsmuster der Zellen des umlaufenden Strömungsabriss und verhindert so die Entstehung einer kohärenten aerodynamischen Anregung, wie sie schematisch in 2 veranschaulicht ist.
Wie aus dem Vorausgehenden ersichtlich, beinhalten die asymmetrischen Entnahmemerkmale innerhalb einer spezifizierten Bogenlänge θ_arc an spezifizierten Umfangspositionen an jeder spezifizierten axialen Position 20 an dem Verdichtergehäuse 18 asymmetrisch beabstandete Entnahme(öffnungen) 16, die definierte Entnahmegestalten aufweisen, um den erforderlichen Gesamtentnahmestrom zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Bogenlänge θ_arc etwa 90 Grad.
Im Falle der Anwendung eines geteilten Gehäuses sind die Entnahmen 16 an der oberen Halbschale angeordnet, um eine leichtere Nachrüstung vor Ort sowie eine verbesserte Zugänglichkeit für (nicht dargestellte) Entnahmeverteilern und Rohrleitungen zu ermöglichen. Wie anhand des Vorausgehenden einsichtig, würden die mehrstufigen Entnahmen einen Entnahmeverteiler erfordern, um den Strom von der Einheit weg zu verzweigen.
Die Erfindung ist daher in der Lage die folgenden Vorteile zu ermöglichen: 1) Reduzierung/Eliminierung kohärenter unstetiger aerodynamischer Anregung an Laufschaufeln; 2) Nachrüstbarkeit in bestehenden Triebwerken mit geteilten Gehäusekonstruktionen; 3) Ermöglichung hochentwickelter aerodynamischer Laufschaufeln; 4) Verbesserung der Lebensdauer von Verdichterschaufelblättern durch Vergrößerung der Schadenstoleranz gegenüber Spitzenreiben, Korrosionsgruben und Anströmkantenschäden.
Während die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, von dem gegenwärtig angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, ist es allerdings selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken ist, sondern vielmehr vielfältige Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Ein Verfahren zum Verstimmen der Aerodynamik des umlaufenden Strömungsabriss durch Verhinderung der Entstehung kohärenter unstetiger Belastungen. Verdichterluft wird 16 in einem entlang des Umfangs asymmetrischen Muster entnommen. Das asymmetrische Entnahmemuster stört das Rotationsmuster der Zelle 10 des umlaufenden Strömungsabriss, indem es die Entstehung einer kohärenten aerodynamischen Anregung verhindert.

10: lokale Abrisszellen
12: Laufschaufeln
18: Entnahmelöcher oder Schlitze 16 Verdichtergehäuse/Verdichterwand
20: axiale Position

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Luftstroms in einem Verdichter, mit dem Schritt: Entnahme (16) hochkomprimierter Luft in Nähe oder stromabwärts eines ausgewählten axialen Abschnitts (20) durch ein Gehäuse (18) des Verdichters hindurch in einem entlang des Umfangs asymmetrischen Muster, um Strömungsstörungen wie Rotating Stall entgegenzuwirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Entnahme hochkomprimierter Luft durch mehrere Löcher oder Schlitze (16) erfolgt, die asymmetrisch um den Umfang des Gehäuses (18) des Verdichters angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse ein geteiltes Gehäuse ist, und wobei die Entnahme hochkomprimierter Luft durch mehrere Löcher oder Schlitze erfolgt, die in einem oberen Gehäuseteil des geteilten Gehäuses angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt der Entnahme hochkomprimierter Luft durch mehrere Löcher oder Schlitze, die in einem Bogen θ_arc angeordnet sind, der durch das erforderliche Strömungsvolumen und die Art der Entstehung von Rotating Stall definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Löcher oder Schlitze (16) in dem Bogen θ_arc asymmetrisch angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Entnahme nach einer vorbestimmten Zeitspanne beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Entnahme nach ihrem Beginn allmählich reduziert werden kann.
Verfahren zur Steuerung eines Luftstroms in einem Verdichter, mit dem Schritt: Aktivieren einer asymmetrischen Entnahme (16) von Verdichterluft um einen Umfang eines Gehäuses (18) des Verdichters, um einer Störung wie Rotating Stall entgegenzuwirken.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Entnahme hochkomprimierter Luft durch mehrere Löcher oder Schlitze (16) hindurch erfolgt, die in einem Bogen θ_arc um den Umfang des Gehäuses (18) des Verdichters angeordnet sind, wobei der Bogen durch das erforderliche Strömungsvolumen und die Art der Entstehung von Rotating Stall definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Gehäuse ein geteiltes Gehäuse ist, und wobei die Entnahme hochkomprimierter Luft durch mehrere Löcher oder Schlitze hindurch erfolgt, die in einem oberen Gehäuseteil des geteilten Gehäuses angeordnet sind.