DE102008031986B4 - Gas turbine with counter-rotating compressor modules - Google Patents

Gas turbine with counter-rotating compressor modules Download PDF

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Abstract

Gasturbine mit zumindest einer Antriebswelle (1) und zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit (2), wobei die Verdichtereinheit (2) aus Verdichtermodulen (3–5) aufgebaut ist, welche jeweils zumindest eine Verdichterstufe mit einem Rotor mit einer Reihe von Rotorschaufeln und einem Stator mit einer Reihe von Statorschaufeln umfassen und mittels eines Getriebes (9–11) auf der Antriebswelle (1) gelagert sind, wobei die Drehrichtungen in Axialrichtung aufeinanderfolgender Verdichtermodule (3–5) gegenläufig ausgebildet sind.Gas turbine with at least one drive shaft (1) and at least one multi-stage compressor unit (2), the compressor unit (2) being constructed from compressor modules (3-5), each of which has at least one compressor stage with a rotor with a number of rotor blades and a stator comprise a row of stator blades and are mounted on the drive shaft (1) by means of a gear (9-11), the directions of rotation in the axial direction of successive compressor modules (3-5) being formed in opposite directions.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit zumindest einer Antriebswelle und mit zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit.The invention relates to a gas turbine with at least one drive shaft and with at least one multi-stage compressor unit.

Bei mehrstufigen Verdichtern, z. B. mehrstufigen Hochdruckverdichtern von Flugtriebwerken, werden alle Verdichterstufen zusammengehörend für die Hochlast ausgelegt. Beim Betrieb dieser Verdichter ist neben der Hochlast jedoch auch Teillast bzw. Leerlaufbetrieb verlangt, die durch deutlich niedrigere Verdichtungsverhältnisse gekennzeichnet sind.For multi-stage compressors, z. B. multi-stage high-pressure compressors of aircraft engines, all compressor stages are designed together for the high load. When operating these compressors in addition to the high load but also partial load or idle operation is required, which are characterized by significantly lower compression ratios.

Die mehreren Verdichterstufen werden nur für hohe Verdichtungsverhältnisse bei Hochlasten zusammengehörend ausgelegt und sind untrennbar.The several compressor stages are designed to be compatible only for high compression ratios under high loads and are inseparable.

Der Teillast- bzw. der Leerlaufbetrieb werden somit sehr eingeschränkt:
Das geforderte, niedrige Verdichtungsverhältnis bei Teillast bzw. Leerlauf wird auf alle Stufen verteilt. Jede Stufe selbst muss daher ein sehr geringes Verdichtungsverhältnis leisten. Dies kann im Betrieb nicht realisiert werden, weil einige Stufen sehr nahe an ihre eigenen, kritischen und zu vermeidenden Pumpgrenzen kommen und somit den ganzen Verdichter und folglich z. B. das ganze Triebwerk gefährden.Part-load or idling operation is thus very limited:
The required low compression ratio at partial load or idling is distributed over all stages. Each stage itself must therefore provide a very low compression ratio. This can not be realized in operation, because some stages come very close to their own, critical and avoidable surge limits and thus the entire compressor and thus z. B. jeopardize the whole engine.

Als Gegenmaßnahme dazu wird der Verdichter im Teillast bzw. Leerlauf zwangsweise bei höheren Verdichtungsverhältnissen betrieben. Dadurch wird unnötig Leistung und damit z. B. auch unnötig Treibstoff verbraucht. Folglich ist der Verdichter im Teillast- bzw. Leerlaufbetrieb, die z. B. bei einem Triebwerk einen hohen zeitlichen Anteil an der Gesamtbetriebsdauer bilden können, wesentlich unwirtschaftlich.As a countermeasure, the compressor is operated under partial load or idle forcibly at higher compression ratios. This will unnecessarily performance and thus z. B. unnecessarily consumed fuel. Consequently, the compressor is in part load or idle mode, the z. B. can form a high proportion of time in the total operating time in an engine, substantially uneconomical.

Aus der Druckschrift US 2,931,173 A ist eine Gasturbine bekannt, bei der sechs Verdichterstufen mit einer Welle verbunden sind, während eine siebte Verdichterstufe mit einer weiteren Welle verbunden ist. Zur Einstellung von Turbinenleitschaufeln sind Getriebe vorgesehen.From the publication US 2,931,173 A a gas turbine is known in which six compressor stages are connected to one shaft, while a seventh compressor stage is connected to another shaft. To adjust turbine vanes gears are provided.

Die Druckschrift US 3,673,802 A betrifft ein Turbofan-Triebwerk mit einem Hochdruckverdichter und einem Niederdruckverdichter und beschäftigt sich mit dem Problem, eine Triebwerkskonfiguration bereitzustellen, bei der die Drehgeschwindigkeit des Fans die Kompressionsrate nicht beschränkt.The publication US 3,673,802 A relates to a turbofan engine having a high pressure compressor and a low pressure compressor and is concerned with the problem of providing an engine configuration in which the fan rotation speed does not limit the compression rate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Wirkungsweise unterschiedlichen Lastbedingungen angepasst werden kann.The invention has for its object to provide a gas turbine with at least one multi-stage compressor unit, which can be adapted to different load conditions with a simple structure and simple, reliable operation.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the combination of features of claim 1, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.

Es wird eine Gasturbine mit zumindest einer Antriebswelle und zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit vorgeschlagen, wobei die Verdichtereinheit aus Verdichtermodulen aufgebaut ist, welche jeweils zumindest eine Verdichterstufe mit einem Rotor mit einer Reihe von Rotorschaufeln und einem Stator mit einer Reihe von Statorschaufeln umfassen und mittels eines Zwischengetriebes auf der Antriebswelle gelagert sind, wobei die Drehrichtungen in Axialrichtung aufeinanderfolgender Verdichtermodule gegenläufig ausgebildet sind.A gas turbine with at least one drive shaft and at least one multi-stage compressor unit is proposed, wherein the compressor unit is constructed from compressor modules which each comprise at least one compressor stage with a rotor with a row of rotor blades and a stator with a row of stator blades and by means of an intermediate gear the drive shaft are mounted, wherein the directions of rotation are formed in opposite directions in the axial direction of successive compressor modules.

Während es aus dem Stand der Technik lediglich bekannt ist, den gesamten Verdichter, nämlich beispielsweise einen Hochdruckverdichter und einen Niederdruckverdichter mit einer gleichen Drehrichtung anzutreiben und somit beispielsweise den Hochdruckverdichter gegenläufig zu dem Niederdruckverdichter auszubilden, ist erfindungsgemäß die Möglichkeit vorgesehen, innerhalb eines Verdichters einzelne Verdichtermodule oder Verdichterstufen alternierend gegenläufig auszubilden. Hierdurch ergibt sich ein besseres Druckverhältnis. Weiterhin kann eine kompaktere Bauweise gewählt werden.While it is only known from the prior art to drive the entire compressor, namely, for example, a high-pressure compressor and a low-pressure compressor with a same direction of rotation and thus, for example, the high-pressure compressor in opposite directions to form the low-pressure compressor, the invention provides the possibility within a compressor individual compressor modules or Forming compressor stages alternately in opposite directions. This results in a better pressure ratio. Furthermore, a more compact design can be selected.

Erfindungsgemäß ist es günstig, wenn die einzelnen Verdichtermodule oder Verdichterstufen zusätzlich abschaltbar oder auskuppelbar sind, um den Verdichter auf diese Weise an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen. Dadurch, dass die einzelnen Verdichtermodule oder Verdichterstufen mittels eines Getriebes bzw. Zwischengetriebes auf der Antriebswelle gelagert sind, ist ein variables Drehzahlverhältnis einzustellen.According to the invention it is advantageous if the individual compressor modules or compressor stages are additionally switched off or disengageable in order to adapt the compressor in this way to different operating conditions. Characterized in that the individual compressor modules or compressor stages are mounted by means of a gear or intermediate gear on the drive shaft, a variable speed ratio is set.

Erfindungsgemäß kann die Ausgestaltung sowohl bei einem Hochdruckverdichter, bei einem Mitteldruckverdichter oder bei einem Niederdruckverdichter vorgesehen sein.According to the invention, the embodiment can be provided both in a high-pressure compressor, in a medium-pressure compressor or in a low-pressure compressor.

Durch die gegenläufig ausgebildeten Verdichtermodule können höhere Verdichtungsverhältnisse erzielt werden. Dies führt zu einer wesentlich kompakteren und leichteren Bauweise des Verdichtersystems. Kompaktheit und geringeres Gewicht sind in mehreren Anwendungen, wie z. B. in der Luftfahrt, für hohe Wirtschaftlichkeit vorteilhaft.Due to the counter-rotating compressor modules higher compression ratios can be achieved. This leads to a much more compact and lighter design of the compressor system. Compactness and lower weight are in several applications, such as. As in aviation, for high efficiency advantageous.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of an embodiment in conjunction with the drawing. Showing:

1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Verdichtereinheit, 1 an illustration of an embodiment of a compressor unit according to the invention,

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Verdichtereinheit, 2 a schematic representation of an embodiment of the compressor unit according to the invention,

3 eine schematische Darstellung der einzelnen Verdichtermodule, und 3 a schematic representation of the individual compressor modules, and

4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen variablen Getriebes. 4 a schematic representation of an embodiment of a variable transmission according to the invention.

Die in 1 gezeigte Verdichtereinheit gemäß dem Stand der Technik umfasst eine Antriebswelle 1, welche in bekannter Weise von einer Turbine oder Turbineneinheit einer Gasturbine in Drehung versetzt wird und welche mit den einzelnen Rotoren der Verdichtereinheit 2 fest verbunden ist. Die Verdichtereinheit 2 umfasst mehrere Stufen, so wie dies schematisch in 1 dargestellt ist.In the 1 As shown in the prior art compressor unit comprises a drive shaft 1 which is rotated in a known manner by a turbine or turbine unit of a gas turbine in rotation and which with the individual rotors of the compressor unit 2 is firmly connected. The compressor unit 2 includes several stages, as shown schematically in 1 is shown.

Die 2 zeigt, dass die Verdichtereinheit 2 in einzelne Verdichtermodule 3, 4, 5 unterteilt ist. Diese umfassen jeweils unterschiedliche Verdichterstufen, die jeweils, analog zur 1, einen Rotor und einen Stator umfassen. Jeder Rotor und jeder Stator weist zumindest eine Reihe von Rotorschaufeln bzw. Statorschaufeln auf, so wie dies aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist.The 2 shows that the compressor unit 2 in individual compressor modules 3 . 4 . 5 is divided. These each include different compressor stages, each, analogous to 1 , a rotor and a stator. Each rotor and each stator has at least one row of rotor blades or stator blades, as is also known from the prior art.

Die 2 zeigt, dass die einzelnen Verdichtermodule 3, 4, 5 jeweils über Lagerelemente bzw. Lager 6, 7, 8 an der Antriebswelle 1 drehbar gelagert sind. Unabhängig von der Drehung der Antriebswelle können somit die Verdichtermodule 3, 4, 5 in Drehung versetzt werden oder eine Relativgeschwindigkeit zu der Antriebswelle 1 aufweisen. Die Lagerung ist nur schematisch dargestellt, es versteht sich, dass diese Lager sowohl eine axiale als auch eine radiale Lagerung umfassen.The 2 shows that the individual compressor modules 3 . 4 . 5 in each case via bearing elements or bearings 6 . 7 . 8th on the drive shaft 1 are rotatably mounted. Regardless of the rotation of the drive shaft thus the compressor modules 3 . 4 . 5 be set in rotation or a relative speed to the drive shaft 1 exhibit. The storage is shown only schematically, it is understood that these bearings include both an axial and a radial bearing.

Zwischen den Verdichtermodulen 3, 4, 5 und der Antriebswelle 1 ist jeweils ein variables Getriebe 9, 10, 11 zwischengeschaltet, welches elektrisch, hydraulisch, mechanisch oder in sonstiger Weise betätigt werden kann. Die Betätigung erfolgt über eine EEC (elektronische Steuerung der Gasturbine), welche optimale Drehzahlen und optimale Betriebszustände der einzelnen Verdichtermodule 3–5 berechnet. Somit ist es möglich, das variable Getriebe entweder in eine Neutralstellung oder einen Neutralgang zu schalten, bei welcher keine Kraftübertragung zwischen dem Verdichtermodul 3–5 und der Antriebswelle 1 erfolgt oder das variable Getriebe so zu schalten, dass eine Leistung von der Antriebswelle zum Verdichter übertragen wird oder es in der dritten Möglichkeit so zu schalten, dass eine Leistung vom Verdichter zur Antriebswelle übertragen wird. Durch die Verteilung der prozentualen Kraftübertragungen oder Drehmomentübertragungen ist somit eine Optimierung des modularen Verdichters möglich. Die einzelnen Verdichtermodule 3–5 laufen dabei mit unterschiedlichen Drehzahlen.Between the compressor modules 3 . 4 . 5 and the drive shaft 1 is each a variable transmission 9 . 10 . 11 interposed, which can be operated electrically, hydraulically, mechanically or in any other way. The actuation takes place via an EEC (electronic control of the gas turbine), which optimal speeds and optimal operating conditions of the individual compressor modules 3 - 5 calculated. Thus, it is possible to switch the variable transmission either to a neutral position or a neutral gear, in which no power transmission between the compressor module 3 - 5 and the drive shaft 1 or to shift the variable transmission so that power is transferred from the drive shaft to the compressor or in the third possibility to shift it so that power is transferred from the compressor to the drive shaft. By the distribution of the percentage of power transmissions or torque transmissions optimization of the modular compressor is thus possible. The individual compressor modules 3 - 5 run at different speeds.

Das variable Getriebe kann als Planetengetriebe oder als Kettenscheibengetriebe mit Verstellkonus ausgebildet sein. Zu der letztgenannten Möglichkeit zeigt 4 ein schematisches Beispiel. Im Übrigen sind variable Getriebe aus dem Stand der Technik bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann.The variable transmission can be designed as a planetary gear or chain drive chain with adjusting cone. To the latter possibility shows 4 a schematic example. Incidentally, variable transmissions of the prior art are known, so that a detailed description at this point can be dispensed with.

Die 4 zeigt schematisch eine Abtriebswelle 13 und eine Antriebswelle 1, auf welchen jeweils Kegelradsätze 14 und 15 drehfest gelagert sind. Die beiden Kegelräder jedes Kegelradsatzes 14 und 15 sind in ihrem axialen Abstand veränderbar, so dass ein im Einzelnen nicht dargestelltes umlaufendes Kettenelement jeweils in einer radial weiter innenliegenden oder einer radial außenliegenden Position gehalten wird. Hierdurch ist es möglich, das Übersetzungsverhältnis stufenlos und variabel zu ändern.The 4 schematically shows an output shaft 13 and a drive shaft 1 on each of which bevel gear sets 14 and 15 are rotatably mounted. The two bevel gears of each bevel gear set 14 and 15 are variable in their axial distance, so that a not shown in detail circumferential chain element is held in each case in a radially further inward or radially outward position. This makes it possible to change the transmission ratio continuously and variably.

Die 2 zeigt weiterhin ein Umkehrgetriebe 16, welches dem Verdichtermodul 2 (mittleres Verdichtermodul gemäß 2) zugeordnet ist. Das Umkehrgetriebe 16 ist auf einem nur schematisch dargestellten Zwischenlager 17 (Lagereinheit) gelagert. Somit dreht sich das mittlere Verdichtermodul 4, wie schematisch in 3 gezeigt, stets in einer entgegengesetzten Drehrichtung relativ zu den Verdichtermodulen 3 und 5.The 2 also shows a reverse gear 16 , which is the compressor module 2 (middle compressor module according to 2 ) assigned. The reverse gear 16 is on an intermediate storage shown only schematically 17 (Storage unit) stored. Thus, the middle compressor module rotates 4 as shown schematically in 3 shown, always in an opposite direction of rotation relative to the compressor modules 3 and 5 ,

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, unterschiedliche Drehrichtungen der einzelnen Verdichtermodule vorzusehen. Es versteht sich, dass die Verdichtereinheit in eine größere oder kleinere Anzahl an Verdichtermodulen unterteilt sein kann, als dies in 2 dargestellt ist. Hierdurch ergeben sich ein besseres Druckverhältnis sowie eine kompakte Bauweise. Der Wirkungsgrad ist noch durch die Zwischenschaltung der variablen Getriebe weiter optimierbar.According to the invention it is thus possible to provide different directions of rotation of the individual compressor modules. It is understood that the compressor unit may be subdivided into a larger or smaller number of compressor modules, as in 2 is shown. This results in a better pressure ratio and a compact design. The efficiency can be further optimized by the interposition of the variable transmission.

Anstelle der variablen Getriebe 9–11 ist es auch im Rahmen der Erfindung möglich, eine Kupplung vorzunehmen, um die einzelnen Verdichtermodule (bei einer größeren Anzahl an Verdichtermodulen) wahlweise einzukuppeln oder auszukuppeln. Es kann jedoch auch erfindungsgemäß möglich sein, die einzelnen Verdichtermodule 3–5 direkt mit der Antriebswelle zu verbinden und lediglich bei geeigneten Verdichtermodulen ein Umkehrgetriebe zwischenzuschalten.Instead of the variable transmission 9 - 11 It is also possible within the scope of the invention to make a clutch to selectively engage or disengage the individual compressor modules (with a larger number of compressor modules). However, it may also be possible according to the invention, the individual compressor modules 3 - 5 to connect directly to the drive shaft and interpose only with suitable compressor modules a reverse gear.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Antriebswelledrive shaft
22
Verdichter/VerdichtereinheitCompressor / compressor unit
3–53-5
Verdichtermodulcompressor module
6–86-8
Lager/LagereinheitWarehouse / storage unit
9–119-11
variables Getriebevariable transmission
1212
EECEEC
1313
Abtriebswelleoutput shaft
14–1514-15
Kegelradsatzbevel gear
1616
Umkehrgetriebereverse gear
1717
Zwischenlager/-LagereinheitInterim storage / -Lagereinheit

Claims (8)

Gasturbine mit zumindest einer Antriebswelle (1) und zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit (2), wobei die Verdichtereinheit (2) aus Verdichtermodulen (3–5) aufgebaut ist, welche jeweils zumindest eine Verdichterstufe mit einem Rotor mit einer Reihe von Rotorschaufeln und einem Stator mit einer Reihe von Statorschaufeln umfassen und mittels eines Getriebes (9–11) auf der Antriebswelle (1) gelagert sind, wobei die Drehrichtungen in Axialrichtung aufeinanderfolgender Verdichtermodule (3–5) gegenläufig ausgebildet sind.Gas turbine with at least one drive shaft ( 1 ) and at least one multi-stage compressor unit ( 2 ), wherein the compressor unit ( 2 ) from compressor modules ( 3 - 5 ), each comprising at least one compressor stage with a rotor having a row of rotor blades and a stator with a row of stator blades and by means of a transmission ( 9 - 11 ) on the drive shaft ( 1 ), wherein the directions of rotation in the axial direction of successive compressor modules ( 3 - 5 ) are formed in opposite directions. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebe (9–11) zumindest zum Teil mit einem variabel veränderbaren Übersetzungsverhältnis ausgebildet sind.Gas turbine according to claim 1, characterized in that the transmission ( 9 - 11 ) are formed at least in part with a variably variable transmission ratio. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebe (9–11) elektrisch, hydraulisch oder mechanisch über eine elektronische Steuerung (EEC) der Gasturbine schaltbar sind.Gas turbine according to claim 2, characterized in that the transmission ( 9 - 11 ) electrically, hydraulically or mechanically via an electronic control (EEC) of the gas turbine are switchable. Gasturbine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebe (9–11) derart schaltbar sind, dass entweder keine Leistung zwischen einem Verdichtermodul (3–5) und der Antriebswelle (1) übertragen wird, oder dass Leistung von der Antriebswelle (1) zu einem Verdichtermodul (3–5) übertragen wird, oder dass Leistung von einem Verdichtermodul (3–5) zur Antriebswelle (1) übertragen wird.Gas turbine according to claim 2 or 3, characterized in that the transmission ( 9 - 11 ) are switchable such that either no power between a compressor module ( 3 - 5 ) and the drive shaft ( 1 ) or that power from the drive shaft ( 1 ) to a compressor module ( 3 - 5 ) or that power from a compressor module ( 3 - 5 ) to the drive shaft ( 1 ) is transmitted. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Verdichtermodul (4) ein Umkehrgetriebe (16) zugeordnet ist.Gas turbine according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one compressor module ( 4 ) a reverse gear ( 16 ) assigned. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit (2) als Hochdruckverdichter ausgebildet ist.Gas turbine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the compressor unit ( 2 ) is designed as a high pressure compressor. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit (2) als Mitteldruckverdichter ausgebildet ist.Gas turbine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the compressor unit ( 2 ) is designed as a medium-pressure compressor. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit (2) als Niederdruckverdichter ausgebildet ist.Gas turbine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the compressor unit ( 2 ) is designed as a low-pressure compressor.
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