DE102008016800A1

DE102008016800A1 - Gasturbinenverdichter

Info

Publication number: DE102008016800A1
Application number: DE102008016800A
Authority: DE
Inventors: Sven-J. Dr. Hiller
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-08
Also published as: EP2268925A1; US8628291B2; CA2720172A1; EP2268925B1; WO2009121350A1; US20110103931A1

Abstract

Ein Gasturbinenverdichter mit einem Verdichtergehäuse (2), Leitschaufeln (4) und Laufschaufeln (8) weist ventilgesteuerte Einblasöffnungen (10) zum Stabilisieren der Verdichterströmung mittels eingeblasener Luft auf. Die Luftströmung wird mittels Drucksensoren (20, 22) erfaßt. Hiervon abhängig werden die Ventile (16) angesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenverdichter mit einem Verdichtergehäuse, Leitschaufeln, Laufschaufeln, ventilgesteuerten Einblasöffnungen zum Stabilisieren der Verdichterströmung und wenigstens einem Ventil zur Steuerung der über die Einblasöffnungen eingeblasenen Luftmenge.
Verdichter können bei bestimmten Betriebsbedingungen (Drosselzustand) zu Pumpen beginnen. Typischerweise ergibt sich das Pumpen aus einem unstabilen Strömungszustand. Dieser Zustand kann vorzugsweise im Teillastbereich (Off-Design-Zustand) auftreten. Der Verdichter von Gasturbinen ist für bestimmte Flugzustände ausgelegt, in denen er die vorausberechneten Kennwerte wie Durchsatz, Druckverhältnis, Wirkungsgrad etc. erbringen muß. Aber auch jenseits dieser Auslegungspunkte hat der Verdichter noch akzeptable und sichere Betriebseigenschaften aufzuweisen, z. B. im Landeanflug eines Flugzeugs, wo für Einhaltung eines Gleitpfades schnelle Schubänderungen und damit schnelle Drehzahländerungen erforderlich sind. Aber auch beim Anlassen im unteren Drehzahlbereich hat der Verdichter für eine einwandfreie Strömung zu sorgen und muß ein schnelles Hochfahren auf Vollast ermöglichen.
Das Verdichterkennfeld wird natürlich auch im Teillastbereich vermessen. Zur Ermittlung eines sicheren Betriebsbereichs muß die sogenannte Fahrlinie, die Betriebspunkte auf unterschiedlichen Drehzahllinien miteinander verbindet, einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur sogenannten Pumpgrenze aufweisen, bei der, wie gesagt, ein Strömungsabriß an den Verdichterschaufeln stattfindet.
Bereits in der Vergangenheit gab es Ansätze, die Pumpgrenze möglichst weit zu niedrigen Durchsätzen zu verschieben, um die Fahrlinie in andere Bereiche bringen oder mit noch größerem Abstand zur Pumpgrenze festsetzen zu können.
Lösungen im Stand der Technik sind insbesondere das Einblasen von Luft in den Gehäuse- oder Rotorbereich eines Verdichters bei bestimmten Betriebsbedingungen. Durch dieses seitliche Einblasen von Luft in Richtung Laufschaufeln soll die Strömung im Verdichter stabilisiert werden.
Das Einblasen von Luft kann stationär (ohne Änderung des Einblasmassenstroms) oder gesteuert mit Hilfe von Ventilen erfolgen, wobei letzteres in der DE 10 2005 052 466 A1 und der US 6 125 626 beschrieben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Stabilisierung der Strömung im Bereich der Laufschaufeln noch weiter zu verbessern.
Hierzu sieht der erfindungsgemäße Gasturbinenverdichter der eingangs genannten Art vor, daß wenigstens ein mit der Steuerung des Ventils gekoppelter Drucksensor im Bereich der Laufschaufeln zum Erfassen des Drucks im Verdichter vorgesehen ist, wobei in Abhängigkeit vom ermittelten Druck das Ventil steuerbar ist.
Während im Stand der Technik über Algorithmen die möglichen Betriebszustände im Verdichter errechnet werden, sieht die Erfindung vor, über Drucksensoren in den entscheidenden Bereichen, nämlich im Bereich der Laufschaufeln, den tatsächlich vorherrschenden Druck zu erfassen und sozusagen abhängig vom praktischen und nicht theoretischen Ist-Wert die Luftzufuhr zu steuern.
Vorzugsweise sind mehrere am Umfang des Strömungskanals (Ringkanal zwischen Rotor und Außengehäuse) verteilte Drucksensoren vorgesehen. Diese Drucksensoren liegen sozusagen auf einem Art Ring.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind sogar mehrere, am Umfang des Strömungskanals verteilte Drucksensoren stromauf- und stromabwärts der Einblasöffnungen vorgesehen, so daß die Drücke vor und nach Einleitung der zusätzlichen Luft ermittelt werden können, was noch effektiver ist.
Die Einblasöffnungen sollten unmittelbar stromaufwärts der Laufschaufeln angeordnet sein.
Da es beim Pumpen Strömungszustände gibt, bei denen modulare Umfangsstörungen auftreten, ist es vorteilhaft, jeder Einblasöffnung ein eigenes Ventil zuzuordnen.
Natürlich können auch mehrere Einblasöffnungen eines von zahlreichen Ventilen aufweisen, um Bauteile und Kosten zu sparen.
Über die zahlreichen, den Einblasöffnungen zugeordneten Ventile lassen sich kontinuierliche, modulierte oder gepulste Strömungen erzielen.
Modulare Umfangsstörungen können durch gezielte gegenphasige Einblasung wie beim Antischall sozusagen gelöscht werden. Natürlich können auch kurzzeitige, peakartige Störungen durch ein schnelles, vollständiges Öffnen eines oder mehrerer Ventile wirksam behoben werden.
Das oder die Ventile sind Mikroventile, insbesondere basierend auf MEMS-Technologie.
Derartige Ventile zeichnen sich durch eine schnelle Schaltbarkeit aus und besitzen meist einen externen Aktuator, der das Ventil auch Modulieren/Schwingen lassen kann (z. B. mit 400 Hz).
Die Steuerung der Drucksensoren kann in dem jeweiligen Drucksensor selbst integriert sein, so daß ein Drucksensor einem oder mehreren Ventilen zugeordnet ist und diese unmittelbar steuert, oder es kann eine zentrale Steuerung vorgesehen sein.
Die Aktuatoren sind insbesondere Magnetspulen oder Piezoelemente.
Die Ventile sowie die Einblasöffnungen sitzen insbesondere im Außengehäuse, wobei aber auch alternativ eine Einströmung im Nabenbereich möglich ist.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Stabilisieren der Gasturbinenverdichterströmung mittels einer elektrischen Steuerung, die mit mehreren, am Umfang des Strömungskanals vorgesehenen Ventilen an Einströmöffnungen gekoppelt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die Druckverhältnisse im Strömungskanal ermittelt und abhängig hiervon die Ventile angesteuert werden. Diese Ermittlung erfolgt unmittelbar über die Drucksensoren.
Die Druckverhältnisse werden insbesondere stromauf- und/oder stromabwärts der Einströmöffnungen erfaßt.
Wie bereits erläutert, können die Ventile wahlweise kontinuierlich, moduliert oder gepulst geöffnet werden, die Steuerung läßt alle diese Möglichkeiten zu.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gasturbinenverdichter,
2 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Verdichters im Bereich einer Laufschaufel, wobei Leitschaufeln zur Steigerung der Übersichtlichkeit weggelassen sind,
3 eine perspektivische Draufsicht auf einen Teil des Verdichtergehäuses,
4 eine vergrößerte Ansicht im Bereich eines Mikroventils, das beim erfindungsgemäßen Verdichter eingesetzt wird.
In 1 ist ein mehrstufiger Gasturbinenverdichter in axialer Bauart dargestellt. Der Gasturbinenverdichter hat ein ringförmiges Verdichtergehäuse 2, am Gehäuse 2 angeordnete Leitschaufeln 4 sowie mehrere auf einem Rotor 6 angeordnete Laufschaufeln 8. Unmittelbar stromaufwärts der Schaufelspitze eines Laufschaufelkranzes weist das Gehäuse 2 zahlreiche am Umfang gleichmäßig verteilte Einblasöffnungen 10 auf. Stromabwärts dieses Laufschaufelkranzes 8 besitzt das Gehäuse 2 Auslaßöffnungen 12, über die verdichtete Luft aus dem Ringkanal 14 abgelassen und, wie durch den Pfeil dargestellt, zu den Einblasöffnungen 10 geführt wird.
Die zum Stabilisieren der Verdichterströmung eingeblasene Luft ist direkt auf die Schaufelspitze gerichtet, wie 1 zeigt.
Die Menge der eingeblasenen Luft wird durch Ventile 16, die mit einer Steuerung 18 (vgl. 2) gekoppelt sind, gesteuert. Die Ventile 16 sind sogenannte Mikroventile, die in 4 dargestellt sind. Diese Mikroventile haben Abmaße von gerade mal etwa 10 x 15 mm Fläche und einer Dicke von etwa 1 mm und eignen sich besonders gut, platzsparend am Außengehäuse 2 angeordnet zu werden.
Jede Einblasöffnung 10 hat ein eigenes, ihm zugeordnetes Ventil 16.
In 3 ist zu erkennen, daß es ein Art Ring von Ventilen 16 gibt, die um das Gehäuse 2 herum verlaufen und unmittelbar am Gehäuse 2 befestigt sind.
Um kritische Strömungszustände unmittelbar zu erfassen, sind stromauf- und/oder stromabwärts der Einblasöffnungen 10 Drucksensoren 20, 22 am Gehäuse 2 angebracht, die den Druck vor, im Bereich oder nach den angeströmten Laufschaufeln 8 bestimmen (siehe 2).
Es sind am Umfang verteilt zahlreiche Drucksensoren 20, 22 angeordnet, wie in 3 zu sehen ist.
Im folgenden wird etwas detaillierter auf die Mikroventile eingegangen, von denen eines in 4 in stark vergrößerter Darstellung zu sehen ist.
Mit jedem Ventil 16 ist jeweils ein Aktuator gekoppelt. Der Aktuator kann beispielsweise eine kleinbauende Magnetspule 24 samt Stößel 26 oder ein Piezoaktuator sein. In 4 ist auch die Zuführleitung 28 für die abgezweigte Luft dargestellt.
Insgesamt wird eine große Anzahl (400 bis 800) Mikroventile am Gehäuse 2 befestigt, entsprechend viele Einblasöffnungen 10 sind vorgesehen. Natürlich können auch mehrere Laufschaufelkränze mit einem eigenen Ring von Einblasöffnungen 10 vorgesehen sein.
Abhängig davon, welche Druckverhältnisse aktuell von den Drucksensoren 20, 22 ermittelt werden, werden über die Steuerung 18 sämtliche Ventile 20, 22 geschlossen oder einzelne oder sämtliche Ventile 20, 22 gleichzeitig oder nacheinander geöffnet. Jedes Ventil 20, 22 wird individuell angesteuert, so daß eine synchronisierte Ansteuerung sämtlicher Ventile 20, 22 möglich ist, um beliebige Umfangswellenformen oder umlaufende Wellen von eingeblasener Luft zu erzeugen. Diese Umfangswellen können Umfangsstörungen der Verdichterströmung ausgleichen, da die Verdichter oftmals modale Umfangsströmungsstörungen in bestimmten Betriebszuständen zeigen können, die durch die gezielte gegenphasige Einblasung gedämpft oder völlig gelöscht werden können.
Durch das gezielte Öffnen, Schließen oder Modulieren läßt sich die einströmende Luftmenge zur Strahlerzeugung verglichen mit einer stationären, stetigen Einströmung von abgezweigter Luft deutlich reduzieren.
Die Steuerung 18 kann auch in die Mikroventile 16 integriert sein.
Sobald der kritische Betriebsbereich verlassen ist, werden die Ventile 16 natürlich wieder geschlossen, um den Wirkungsgrad nicht unnötig zu verringern.

2: Verdichtergehäuse
4: Leitschaufeln
6: Rotor
8: Laufschaufeln
10: Einblasöffnungen
12: Auslaßöffnungen
14: Ringkanal
16: Ventile
18: Steuerung
20: Drucksensor
22: Drucksensor
24: Magnetspule
26: Stößel
28: Zuführleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005052466 A1 [0006]
- US 6125626 [0006]

Claims

Gasturbinenverdichter, mit einem Verdichtergehäuse (2), Leitschaufeln (4), Laufschaufeln (8), ventilgesteuerten Einblasöffnungen (10) zum Stabilisieren der Verdichterströmung und wenigstens einem Ventil (16) zur Steuerung der über die Einblasöffnungen (10) eingeblasenen Luftmenge, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein mit der Steuerung (18) des Ventils (16) gekoppelter Drucksensor (20, 22) im Bereich der Laufschaufeln (8) zum Erfassen des Drucks im Verdichter vorgesehen ist, wobei in Abhängigkeit vom ermittelten Druck das Ventil (16) steuerbar ist.
Gasturbinenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere am Umfang des Strömungskanals (14) verteilte Drucksensoren (20, 22) vorgesehen sind.
Gasturbinenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere am Umfang des Strömungskanals (14) verteilte Drucksensoren (20, 22) stromauf- und/oder stromabwärts der Einblasöffnungen (10) vorgesehen sind.
Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasöffnungen (10) unmittelbar stromaufwärts der zusätzlich luftbeströmten Laufschaufeln (4) angeordnet sind.
Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einblasöffnung (10) ein eigenes Ventil (16) zugeordnet ist.
Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Ventil(e) (16) Mikroventile ist/sind.
Verfahren zum Stabilisieren der Gasturbinenverdichterströmung mittels einer elektrischen Steuerung (18), die mit mehreren am Umfang des Strömungskanals (14) angeordneten Ventilen (16) an Einströmöffnungen (10) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverhältnisse im Strömungskanal (14) ermittelt und abhängig hiervon die Ventile (16) angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverhältnisse stromauf- und/oder stromabwärts der Einströmöffnungen (10) erfaßt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (16) wahlweise kontinuierlich, moduliert oder gepulst geöffnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Ansteuerung der Ventile (16) ein umfangsveränderliches Druck- und/oder Geschwindigkeitsfeld erzeugt wird, welches bedarfsweise relativ zum Verdichtergehäuse (2) in Drehung versetzbar ist.