DE112008003506T5

DE112008003506T5 - Verdichterschaufelspitzenspaltsteuersystem mit einem Plasmaaktuator, Verdichter und Gasturbinenmaschine mit einem derartigen Steuersystem

Info

Publication number: DE112008003506T5
Application number: DE112008003506T
Authority: DE
Inventors: Aspi Rustom Loveland Wadia; David Scott Liberty Township Clark; Ching-Pang Cincinnati Lee; Andrew Cincinnati Breeze-Stringfellow; Gregory Scott Indianapolis Mcnulty
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-11-04
Also published as: GB2467893A; WO2009085467A1; US20100284795A1; WO2009085467A8; JP2011508148A; CA2710376A1; GB201011325D0

Abstract

Verdichterschaufelspitzenleckstrom-Steuersystem, das aufweist:
ein ringförmiges Gehäuse, das eine Reihe von Verdichterschaufeln umgibt, die Schaufelspitzen aufweisen; und
wenigstens einen ringförmigen Plasmagenerator, der radial außerhalb und getrennt von den Schaufelspitzen angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und insbesondere die Verbesserung des stabilen Durchflussbereiches von in diesen vorgesehenen Verdichtungssystemen, wie beispielsweise Bläsern, Boostern und Verdichtern, unter Verwendung von Plasmaaktuatoren.
In einem Turbofan-Gasturbinenflugtriebwerk wird Luft im Betrieb in einem Bläsermodul, einem Boostermodul und einem Verdichtungsmodul unter Druck gesetzt. Die durch das Bläsermodul durchgehende Luft wird größtenteils in einen Nebenstrom geleitet und zur Erzeugung des Großteils des zum Antrieb eines Flugzeugs im Flug erforderlichen Schubs verwendet. Die durch das Boostermodul und das Verdichtungsmodul geleitete Luft wird in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt und gezündet, wodurch heiße Verbrennungsgase erzeugt werden, die Turbinenstufen durchströmen, welche daraus Energie zum Antrieb der Bläser-, Booster- und Verdichterrotoren entziehen. Das Bläser-, das Booster- und das Verdichtermodul haben jeweils eine Reihe von Rotorstufen und Statorstufen. Der Bläser- und der Booster-Rotor werden jeweils typischerweise durch eine Niederdruckturbine angetrieben, während der Verdichterrotor durch eine Hochdruckturbine angetrieben ist. Der Bläser- und der Booster-Rotor sind mit dem Verdichterro tor aerodynamisch gekoppelt, wenngleich sie normalerweise mit unterschiedlichen mechanischen Drehzahlen arbeiten.
Wesentlich bei der Konstruktion von Verdichtungssystemen, wie beispielsweise Bläsern, Boostern und Verdichtern, ist der Wirkungsgrad beim Verdichten der Luft mit ausreichendem Strömungsabrissgrenzabstand während der gesamten betriebsmäßigen Flugbewegungen vom Starten über Reiseflug und Landen. Der Verdichtungswirkungsgrad und der Strömungsabrissgrenzabstand stehen aber normalerweise in entgegengesetzter Beziehung zueinander, wobei ein zunehmender Wirkungsgrad typischerweise einer Verkleinerung des Strömungsabrissgrenzabstands entspricht. Die miteinander im Widerspruch stehenden Anforderungen hinsichtlich des Strömungsabrissgrenzabstands und des Wirkungsgrads stellen besonders hohe Anforderungen bei Hochleistungs-Jettriebwerken dar, die unter Betriebsbedingungen, wie starken Einlassstörungen und erhöhter Leistungsabzapfung für Hilfsantriebe, arbeiten, während sie dennoch ein hohes Niveau des Stabilitätsgrenzabstands in Verbindung mit einem hohen Verdichtungswirkungsgrad erfordern.
Strömungsabrisse bei Verdichtungssystemen werden normalerweise durch eine Strömungsablösung an der Spitze des Verdichterrotors hervorgerufen. Bei einem Hochdruckverdichter einer Gasturbine besteht jeweils ein Spaltabstand zwischen den umlaufenden Schaufelspitzen und einem stationären Gehäuse, das die Schaufelspitzen umgibt. Während des Maschinenbetriebs leckt Luft von der Druckseite durch den Spitzenspalt zu der Saugseite hin. Diese Leckströmungen können zur Folge haben, dass sich in dem Spitzenbereich der jeweiligen Schaufel Wirbel ausbilden. Die Wirbel können hinsichtlich ihrer Stärke und Größe anwachsen und eine Blockade sowie Verlust hervorrufen, wenn das Verdichtungssystem gedrosselt wird, und sie können schließlich zu einem Strömungsabriss bei dem Verdichtungssystem sowie einer Reduktion des Wirkungsgrads führen.
Demgemäß wäre es erwünscht, ein Verdichtungssystem zu haben, bei dem die Schaufelspitzenwirbelblockade und Verluste minimiert sind, um durch Verzögern des Einsetzens eines Strömungsabrisses in dem Verdichtungssystem die Funktionsfähigkeit der Maschine zu verbessern. Es wäre erwünscht, ein System zur Reduktion der Spitzenleckströmung durch Verringerung des effektiven Spalts zwischen der Spitze der umlaufenden Schaufeln und einem Gehäuse oder Mantel, der die Schaufelspitzen umgibt, zu haben. Es wäre erwünscht, ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeuggasturbinentriebwerks zur Verbesserung des stabilen Durchflussbereiches und des Wirkungsgrades der Verdichtungssysteme des Triebwerks zu haben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorstehend erwähnten Anforderungen oder Bedürfnisse können durch beispielhafte Ausführungsformen erfüllt werden, die ein Plasma-Leckstrom-Steuersystem für einen Verdichter, der eine Umfangsreihe von Verdichterschaufeln aufweist, ein ringförmiges Gehäuse, das die Spitzen der Schaufeln umgibt und das radial von den Spitzen der Schaufeln entfernt angeordnet ist, und wenigstens einen ringförmigen Plasmagenerator vorsehen, der an dem ringförmigen Gehäuse angeordnet ist. Der ringförmige Plasmagenerator weist eine innere Elektrode und eine äußere Elektrode auf, die durch ein dielektrisches Material voneinander getrennt sind. Eine Gasturbinenmaschine bzw. ein Gasturbinentriebwerk mit einem Plasma- Leckstrom-Steuersystem weist ferner ein Maschinen- bzw. Triebwerksteuersystem auf, das den Betrieb des ringförmigen Plasmagenerators derart steuert, dass der Schaufelspitzenleckstrom verändert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Gasturbinenmaschine bzw. ein Gasturbinentriebwerk mit einem Plasma-Leckstrom-Steuersystem in einer Verdichtungsstufe ferner ein Maschinensteuersystem 74 auf, das den Betrieb des Plasmagenerators 60 derart steuert, dass der Schaufelspitzenleckstrom verändert werden kann.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Plasmagenerator an einem segmentierten Mantel montiert. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist der Plasmaaktuator eine kreisringförmige Konfiguration auf. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Plasmaaktuatorsystem einen diskreten Plasmagenerator auf.
Ein Flugzeuggasturbinentriebwerk kann unter Verwendung eines Verfahrens zum Betreiben des Plasmageneratorsystems betrieben werden, um den stabilen Durchflussbereich des Verdichtungssystems in dem Triebwerk zu verbessern. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein Flugzeuggasturbinentriebwerk unter Verwendung eines Verfahrens zum Reduzieren des Spitzenleckstroms durch Reduktion des effektiven Spalts zwischen der Spitze der umlaufenden Schaufeln und einem Gehäuse oder Mantel, das bzw. der die Schaufelspitzen umgebt, betrieben werden. Ein Flugzeuggasturbinentriebwerk kann unter Verwendung eines Verfahrens zum Betreibendes Plasmageneratorsystems zur Veränderung des Betriebswirkungsgrades eines Verdichters betrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der als die Erfindung betrachtete Gegenstand ist in dem anschließenden Teil der Beschreibung im Einzelnen erläutert und gesondert beansprucht. Die Erfindung ist jedoch am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit beigefügten Zeichnungsfiguren zu verstehen, bei denen:
1 zeigt eine schematisierte Schnittdarstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Plasmaaktuatorsystems in einer Verdichtungsstufe.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des Verdichters des in 1 veranschaulichten Gasturbinentriebwerks.
3 zeigt ein beispielhaftes Betriebsdiagramm eines in 2 veranschaulichten Verdichters.
4a zeigt die Ausbildung eines Bereiches mit Umkehrströmung in einem Schaufelspitzenwirbel in einer Verdichtungsstufe.
4b zeigt die Ausbreitung des Bereiches mit Umkehrströmung in dem in 4a veranschaulichten Schaufelspitzenwirbel, wenn der Verdichter oberhalb der Betriebskennlinie gedrosselt wird.
4c zeigt die Umkehrströmung in dem Wirbel in dem Schaufelspitzenbereich während eines Strömungsabrisses.
5 zeigt eine schematisierte Schnittansicht des Spitzenbereiches eines Verdichters mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Plasmageneratorsystems.
6 zeigt eine schematisierte Draufsicht auf die Schaufelspitzen eines Verdichters mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Plasmageneratorsystems.
7 zeigt eine schematisierte Draufsicht auf die Schaufelspitzen eines Verdichters mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Plasmageneratorsystems.
8 zeigt eine isometrische Ansicht eines Mantelelementes eines Verdichters mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Plasmagenerators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUGN DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten jeweils die gleichen Elemente bezeichnen, veranschaulicht 1 ein beispielhaftes Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10, das eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Es weist eine Triebwerksmittelachse 8, einen Bläser 12, der Umgebungsluft 14 aufnimmt, einen Booster oder Niederdruckverdichter (LPC) 16, einen Hochdruckverdichter (HPC) 18, eine Brennkammer 20, die Brennstoff mit der durch den HPC 18 verdichteten Luft vermischt, um Verbrennungsgase oder eine Gasströmung zu erzeugen, die stromabwärts durch eine Hochdruckturbine (HPT) 22 strömt, und eine Niederdruckturbine (LPT) 24, von der die Verbrennungsgase aus dem Triebwerk 10 ausgestoßen werden. Die HPT 22 ist mit dem HPC 18 verbunden, um im Wesentlichen einen Hochdruckrotor 29 zu bilden. Eine Niederdruckwelle 28 verbindet die LPT 24 sowohl mit dem Bläser 12 als auch mit dem Booster 16. Die zweite oder Niederdruckwelle 28 ist koaxial zu dem ersten oder Hochdruckrotor sowie radial innen von diesem drehbar angeordnet.
Der HPC 18, der die durch den Kern strömende Luft verdichtet, ist rings um die Längsmittelachse 8 achsensymmetrisch. Der HPC enthält mehrere Einlassleitschaufeln (IGVs) 30 sowie mehrere Statorschaufeln 31, die in einer Umfangsrichtung um die Längsmittelachse 8 herum verteilt angeordnet sind. Der HPC 18 enthält ferner mehrere Rotorstufen 19, die entsprechende Rotorschaufeln 40 aufweisen, die sich von einer Rotornabe 39 oder entsprechenden Rotoren in Form gesonderter Scheiben oder integraler Blisks oder ringförmiger Trommeln 21 in irgendeiner gebräuchlichen Weise radial nach außen erstrecken.
Mit jeder Rotorstufe 19 arbeitet jeweils eine zugehörige Statorstufe zusammen, die mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Statorleitschaufeln 31 aufweist. Die Anordnung von Statorschaufeln und Rotorschaufeln ist in 2 veranschaulicht. Die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln 31 definieren Schaufelblätter, die entsprechende aerodynamische Profile oder Umrisse aufweisen, um den Kernluftstrom nacheinander in Axialstufen zu verdichten. Jede Rotorschaufeln 40 weist einen Schaufelfuß 45, eine Schaufelspitze 46, eine Druckseite 43, eine Saugseite 44, eine Vorderkante 41 und eine Hinterkante 42 auf. Die Rotorschaufeln 40 einer vorderen Stufe rotieren innerhalb eines ringförmigen Gehäuses 50, das die Rotorschaufelspitzen umgibt. Die Rotorschaufeln einer hinteren Stufe rotieren gewöhnlich innerhalb eines ringförmigen Durchgangs, der durch Mantelsegmente 51 gebildet ist, die in Umfangsrichtung rings um die Schaufelspitzen 46 angeordnet sind. Im Betrieb wird der Druck der Luft vergrößert, während die Luft sich verlangsamt und sich durch die Stator- und Rotorschaufelblätter ausbreitet.
Das Betriebsdiagramm des beispielhaften Verdichtungssystems 18 in dem beispielhaften Gasturbinentriebwerk 10 ist in 3 mit der korrigierten Durchflussrate am Einlass entlang der X-Achse und dem Druckverhältnis auf der Y-Achse veranschaulicht. Der Ausdruck „Druckverhältnis”, wie er hierin verwendet wird, ist als das Verhältnis des Gesamtdrucks an dem Austritt des Verdichtungssystems dividiert durch den Gesamtdruck an dem Einlass des Verdichtungssystems definiert. Es sind eine beispielhafte stationäre Dauerbetriebskennlinie 116, eine transiente Betriebskennlinie 114 und die Strömungsabrisskennlinie 112 gemeinsam mit Kennlinien 122, 124 konstanter Drehzahlen veranschaulicht. Die Kennlinie 124 repräsentiert eine Kennlinie geringerer Drehzahl, und die Kennlinie 122 repräsentiert eine Kennlinie einer höheren Drehzahl. Wenn das Verdichtungssystem bei einer konstanten Drehzahl gedrosselt ist, wie beispielsweise bei der Kennlinie 124 konstanter Drehzahl, verringert sich die korrigierte Durchflussrate am Einlass, während das Druckverhältnis steigt, und der Betreib des Verdichtungssystems rückt näher an die Strömungsabrisskennlinie 112 heran. Der Ausdruck „Strömungsabrissgrenzabstand”, wie er hierin verwendet wird, ist als das Verhältnis, bei konstantem korrigierten Durchfluss, zwischen dem Druckverhältnis bei Strömungsabriss und dem Druckverhältnis auf einer Betriebskennlinie abzüglich eins definiert [(PR_{Strömungsabriss}/PR_BKL) – 1,0]. Jede Betriebsbedingung hat einen entsprechenden Verdichterwirkungsgrad, der herkömmlicherweise als das Verhältnis der idealen (isentropischen) zugeführten Verdichterarbeit zu der tatsächlichen zugeführten Arbeit definiert ist, die erforderlich ist, um ein gegebenes Druckverhältnis zu erreichen. Der Verdichterwirkungsgrad jeder Betriebsbedingung ist in dem Betriebsdiagramm in Gestalt von Konturlinien konstanten Wirkungsgrads, wie den in 3 veranschaulichten Gebilden 118, 120, aufgezeichnet. Das Betriebsdiagramm weist einen Bereich höchsten Wirkungsgrads auf, der in 3 als die kleinste Kontur 120 dargestellt ist, und es ist wünschenswert, den Verdichter so weit wie möglich in dem Bereich des höchsten Wirkungsgrads zu betreiben. Wie hierin nachstehend weiter erläutert, liefern die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Mittel zur Verbesserung des stabilen Betriebsbereiches von Verdichtungssystemen durch Anheben der Strömungsabriss kennlinie (vgl. Kennlinie 113 in 3) des Verdichtungssystems, ohne die Betriebskennlinie 116 einfach abzusenken und an Wirkungsgrad einzubüßen. In 3 ist die Strömungsabrisskennlinie für einen herkömmlichen Verdichter als das Gebilde 112 veranschaulicht, und die Strömungsabrisskennlinie unter Verwendung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist als das Gebilde 113 veranschaulicht. Punkte 128 und 132 repräsentieren den vergrößerten stabilen Betriebsbereich, der durch beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie hierin beschrieben, erzielt wird, im Vergleich zu jeweils entsprechenden Punkten 126 bzw. 130 für ein herkömmliches Verdichtungssystem.
Es ist bekannt, dass Verdichterströmungsabrisse durch einen Abriss der Strömung in dem Spitzenbereich 52 des Rotors 19 hervorgerufen werden. Dieser Spitzenströmungsabriss ist von einem Spitzenleckagewirbel begleitet, wie er in schematisierter Weise in den 4a, 4b und 4c in Form von Konturdiagrammen von Bereichen, die eine negative axiale Geschwindigkeit aufweisen, auf der Basis von computergestützten Analysen der Strömungsdynamik veranschaulicht ist. Ein Spitzenleckagewirbel 200 setzt in erster Linie an der Rotorschaufelspitze 46 in der Nähe der Vorderkante 41 ein. In dem Bereich dieses Wirbels 200 liegt dort eine Strömung vor, die eine negative axiale Geschwindigkeit aufweist, d. h. die Strömung in diesem Bereich ist zu dem Hauptströmungskörper entgegengerichtet und ist in hohem Maße unerwünscht. Wenn er nicht unterbrochen wird, weitet sich der Spitzenwirbel axial nach hinten und tangential von der Schaufelsaugseite 44 auf die anschließende Schaufeldruckseite 43 aus, wie dies in 4b veranschaulicht ist. Wenn sie die Druckseite 43 erreicht, neigt die Strömung dazu, sich in einem Bereich einer Blockade an der Spitze zwischen den Schaufeln anzusammeln, wie dies in 4c veranschaulicht ist, und sie verursacht hohe Verluste. Wenn der Verdichter in Richtung auf die Strömungsabrisskennlinie 112 gedrosselt wird, wird die Blockade in dem Strömungskanal zwischen den benachbarten Schaufeln zunehmend größer und bewirkt schließlich, dass der Verdichter 18 einen Strömungsabriss erleidet. In der Nähe des Strömungsabrisses ist das Verhalten der Strömungsfeldstruktur des Schaufelkanals, insbesondere die Wirbeltrajektorie des Schaufelspitzenspalts, senkrecht zu der Axialrichtung ausgerichtet, wobei der Spitzenspaltwirbel 200 die Vorderkanten 41 benachbarter Schaufeln 40 überspannt, wie dies in 4c veranschaulicht ist. Der Wirbel 200 beginnt von der Vorderkante 41 auf der Saugseite 44 der Schaufel 40 und bewegt sich auf die Vorderkante 41 auf der Druckseite der benachbarten Schaufel 40 zu, wie dies in 4c veranschaulicht ist.
Die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung, die Plasmaaktuatoren nutzen, wie hierin offenbart, verzögern das Anwachsen der Blockade durch den Spitzenleckagewirbel 200. Die Plasmaaktuatoren, wie sie gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewandt und betrieben werden, verleihen dem Fluid in dem Spitzenbereich 52 einen vergrößerten axialen Impuls. Das Plasma, das in dem Spitzenbereich erzeugt wird, wie nachstehend beschrieben, verstärkt den axialen Impuls des Fluids und minimiert den Bereich 200 negativer Strömung, und es hält diesen auch vom Anwachsen zu einem größeren Blockadebereich ab. Plasmaaktuatoren, die, wie veranschaulicht, in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, erzeugen einen Strom von Ionen und eine Volumen- bzw. Körperkraft, die auf das Fluid in dem Spitzenwirbelbereich einwir ken und dieses zwingen, in der Richtung der gewünschten Fluidströmung durch den Schaufelkanal hindurch zu treten. Die Ausdrücke „Plasmaaktuatoren” und „Plasmageneratoren”, wie sie hierin verwendet werden, haben die gleiche Bedeutung und werden gegeneinander austauschbar verwendet.
2 veranschaulicht in schematisierter Weise eine Schnittdarstellung beispielhafter Ausführungsformen von Plasmaaktuatorsystemen 100 für vergrößerten Strömungsabrissgrenzabstand und/oder verbesserten Wirkungsgrad für Verdichtungssysteme in einer Gasturbinenmaschine 10, wie beispielsweise dem Flugzeuggasturbinentriebwerk, das im Schnitt in 1 veranschaulicht ist. Das Plasmaaktuatorsystem 100 des Gasturbinentriebwerks enthält ein ringförmiges Gehäuse 50 oder ringförmige Mantelsegmente 51, das bzw. die drehbare Schaufelspitzen 46 umgibt bzw. umgeben. An dem Gehäuse 50 oder den Mantelsegmenten 51 ist in Ringnuten 54 oder in Ringnutsegmenten 56, die radial außerhalb von den Schaufelspitzen 46 im Abstand angeordnet sind, ein ringförmiger Plasmagenerator 60 angeordnet. Die in 2 veranschaulichte beispielhafte Ausführungsform weist einen Vorderkanten-Plasmaaktuator 101, der in dem Gehäuse 50 in der Nähe der Spitze 46 der Vorderkante 41 angeordnet ist, sowie einen Teilsehnen-Plasmaaktuator 102 auf, der in dem Gehäuse 50 in der Nähe der Spitze 46 der Schaufel in etwa an der Schaufelmittelsehne angeordnet ist.
5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Plasmaaktuatorsystems 100 zur Erhöhung des Strömungsabrissgrenzabstands und/oder zur Vergrößerung des Wirkungsgrads eines Verdichtungssystems 18. Der Ausdruck „Verdichtungssystem”, wie er hierin verwendet wird, enthält Vorrichtungen, die zur Erhöhung des Drucks eines durch sie hindurch strömenden Fluids verwendet werden, und beinhaltet den Hochdruckverdichter 18, den Booster 16 und den Bläser 12, wie sie in den in 1 veranschaulichten Gasturbinentriebwerken verwendet werden. Die in 5 veranschaulichte beispielhafte Ausführungsform zeigt einen ringförmigen Plasmagenerator 60, der an dem Verdichtergehäuse 50 montiert ist und eine erste Elektrode 62 sowie eine durch ein dielektrisches Material 63 getrennte zweite Elektrode 64 enthält. Das dielektrische Material ist in einer Ringnut 54 in einer radial nach innen weisenden Oberfläche 53 des Gehäuses 50 angeordnet. In einigen Gasturbinenmaschinenkonstruktionen können einige der Stufen des Verdichters 18 kreisringförmige Mantelsegmente 51 aufweisen, die die Schaufelspitzen umgeben. 8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, die Plasmaaktuatoren in Mantelsegmenten 51 einsetzt. Wie in 8 veranschaulicht, enthält jedes der Mantelsegmente 51 ein Ringnutsegment 56 mit dem dielektrischen Material 63, das in dem Ringnutsegment 56 angeordnet ist. Diese kreisringförmige Anordnung von Nutsegmenten 56 mit dem dielektrischen Material 63, den ersten Elektroden 62 und den zweiten Elektroden 64, die innerhalb der Ringnutsegmente 56 angeordnet sind, bildet den ringförmigen Plasmagenerator 60.
An die Elektroden ist eine Wechselstrom-Energieversorgung (AC-Energieversorgung) 70 angeschlossen, die an die Elektroden 62, 64 ein Hochspannungs-Wechselpotential anlegt. Wenn die Wechselspannungsamplitude hinreichend groß ist, wird Luft in einem Bereich größten elektrischen Potentials unter Bildung eines Plasmas 68 ionisiert. Das Plasma 68 beginnt allgemein nahe einer Kante 65 der ersten Elektrode 62, die der Luft ausgesetzt ist, und verteilt sich über ein von der zweiten Elektrode 64 projiziertes Gebiet 104, das von dem dielektrischen Material 63 abgedeckt ist. Das Plasma 68 (ionisierte Luft) erzeugt in Gegenwart eines elektrischen Feldgradienten eine Kraft auf die Umgebungsluft, die sich radial innen von dem Plasma 68 befindet, wodurch es eine virtuelle aerodynamische Gestalt hervorruft, die eine Veränderung der Druckverteilung über der radial nach innen weisenden Oberfläche 53 des ringförmigen Gehäuses 50 oder der Mantelsegmente 51 hervorruft. Die Luft in der Nähe der Elektroden ist schwach ionisiert, und es findet normalerweise nur eine geringe oder keine Erwärmung der Luft statt.
Während eines Triebwerkbetriebs schaltet das Plasmaaktuatorsystem 100 den Plasmagenerator 60 ein, um das kreisringförmige Plasma 68 zwischen dem ringsförmigen Gehäuse 50 und den Schaufelspitzen 46 auszubilden. Eine elektronische Steuereinrichtung 72, die mit einem Triebwerkssteuersystem 74, beispielsweise einem selbständigen digitalen elektronischen Steuersystem (FADEC, Full Authority Digital Electronical Control) vernetzt ist, das die Bläserdrehzahlen, die Verdichter- und Turbinendrehzahlen und das Brennstoffsystem des Triebwerks steuert, kann dazu verwendet werden, den Plasmagenerator 60 durch Ein- und Ausschalten des Plasmagenerators 60 oder durch eine sonstige Beeinflussung zu steuern, wie dies notwendig ist, um den Strömungsabrissgrenzabstand zu vergrößern oder den Wirkungsgrad des Verdichtungssystems zu erhöhen. Die elektronische Steuereinrichtung 72 kann auch dazu verwendet werden, den Betrieb der Wechselspannungs-Energieversorgung 70 zu steuern, die an die Elektroden angeschlossen ist, um an die Elektroden ein Hochspannungswechselpotential anzulegen.
Im Betrieb erzeugt das Plasmaaktuatorsystem 100, wenn es eingeschaltet ist, einen Ionenstrom, der das Plasma 68 und eine Volumen- bzw. Körperkraft erzeugt, die die Luft vor sich herschiebt und die Druckverteilung in der Nähe der Schaufelspitze an der radial nach innen weisenden Oberfläche 53 des ringförmigen Gehäuses 50 verändert. Das Plasma 68 verleiht dem Fluid einen positiven axialen Impuls in dem Schaufelspitzenbereich 52, in dem in herkömmlichen Verdichtern sich ein Wirbel 200 auszubilden neigt, wie dies vorstehend beschrieben und in den 4a, 4b und 4c veranschaulicht ist. Der positive axiale Impuls, der von dem Plasma 68 ausgeübt wird, zwingt die Luft, in der gewünschten Richtung einer positiven Strömung durch den Kanal zwischen benachbarten Schaufeln durchzuströmen, wodurch die Art einer Strömungsblockade, wie sie in 4c für herkömmliche Maschinen veranschaulicht ist, vermieden wird. Dies vergrößert den Strömungsabrissgrenzabstand der Verdichterstufe und somit des Verdichtungssystems. Plasmageneratoren 60, wie zum Beispiel die in 5 dargestellten, können rings um die Spitzen einiger ausgewählter Verdichterstufen angeordnet sein, wo ein Strömungsabriss möglicherweise auftritt. Alternativ können Plasmageneratoren rings um die Spitzen aller Verdichterstufen angeordnet sein und während eines Triebwerkbetriebs unter Verwendung des Triebwerksteuersystems 74 oder der elektronischen Steuereinrichtung 72 wahlweise aktiviert werden.
Plasmageneratoren 60 können in Axialrichtung an vielfältigen axialen Stellen in Bezug auf die Spitze der Schaufelvorderkante 41 platziert werden. Sie können axial stromaufwärts von der Schaufelvorderkante 41 positioniert werden (vgl. zum Beispiel 5). Sie können auch axial stromabwärts von der Vorderkante 41 positioniert werden (vgl. in den 6 und 7 mit „S” gekennzeichnetes Element). Plasmageneratoren sind wirksam, wenn sie an axialen Stellen von etwa 10% der Schaufelspitzensehne stromaufwärts von der Vorderkante 41 bis etwa 50% der Schaufelspitzensehne stromabwärts von der Vorderkante 41 platziert werden. Sie sind am effektivsten, wenn sie unmittelbar auf das impulsarme Fluid einwirken können, das mit dem Spitzenwirbel 200 verbunden ist, wie er beispielsweise in 4a veranschaulicht ist. Es ist vorzuziehen, den Plasmagenerator derart zu positionieren, dass die Wirkung des Stroms des Plasmas 68 bei etwa 10% der Schaufelspitzensehne beginnt, wo der Wirbel ersichtlicherweise zu wachsen beginnt, wie in 4a veranschaulicht. Es ist mehr vorzuziehen, die Plasmageneratoren an Stellen von etwa 10% der Sehne hinter der Vorderkante 41 bis etwa 50% der Sehne anzuordnen.
In anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mehrere Plasmaaktuatoren 101, 102 vorzusehen, die an mehreren Stellen in dem Verdichtergehäuse 50 oder den Mantelsegmenten 51 positioniert werden. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die mehrere Plasmaaktuatoren an mehreren Orten aufweisen, sind in den 6 und 7 veranschaulicht. 6 zeigt in schematisierter Weise einen ringförmigen Vorderkanten-Plasmaaktuator 101, der in der Nähe der Vorderkante 41 angeordnet ist, und einen ringförmigen Teilsehnen-Plasmaaktuator 102, der in der Nähe der Mittelsehne der Schaufelspitzen 46 angeordnet ist. In der in 6 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform bilden die Plasmaaktuatoren 101, 102 eine kontinuierliche ringförmige Schlaufe 103 innerhalb des Gehäuses 50. Die ersten Elektroden 62 und die zweiten Elektroden 64 bilden kontinuierliche Schlaufen und sind in Axialrichtung in Abständen A und B getrennt angeordnet, die auf der Basis von Analysen der Wirbelbildung unter Verwendung von CFD-Analysen, wie beispielsweise in den 4a und 4b veranschaulicht, ausgewählt sind. Die axiale Lage des Vorderkanten-Plasmaaktuators 101 von dem Ort der Schaufelvorderkantenspitze („S”) und die axiale Lage des Teilsehnen-Aktuators 102 von dem Schaufelspitzenort („H”) sind ebenfalls auf der Basis der CFD-Analysen der Spitzenwirbelbildung gewählt. Es ist festgestellt worden, dass es für die hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen am besten ist, den Vorderkanten-Plasmaaktuator 101 in Axialrichtung bei etwa 10% der Rotorschaufelspitzensehne von der Schaufelvorderkantenspitze („S”) zu platzieren. Der Teilsehnen-Plasmaktuator 102 kann in Axialrichtung in einem Bereich zwischen etwa 20% und 50% der Rotorschaufelspitzensehne von der Schaufelvorderkantenspitze („H”) platziert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Wert für „S” etwa 10% der Rotorschaufelspitzensehne, und der Wert für „H” beträgt etwa 50% der Rotorschaufelspitzensehne.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform, wie sie in 7 veranschaulicht ist, sind einzelne, diskrete Plasmaaktuatoren 105, 106 in Umfangsrichtung verteilt in dem Gehäuse 50 oder den Mantelsegmenten 51 angeordnet. Die Anzahl der einzelnen Aktuatoren 105 und 106, die in einer bestimmten Verdichtungsstufe benötigt werden, beruht auf der Anzahl von Schaufeln, die in dieser Verdichtungsstufe eingesetzt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Anzahl der eingesetzten diskreten Aktuatoren 105, 106 gleich der Anzahl von Schaufeln in der Verdichtungsstufe, und der Umfangsabstand zwischen den Plasmaaktuatoren ist gleich dem Teilungsabstand der Schaufelreihe. Die axialen Orte und Ab stände S, H, A und B und die der Plasmaaktuatoren sind ausgewählt, wie dies hier vorstehend für den Fall kontinuierlicher Plasmaaktuatoren erläutert ist. Die diskreten Plasmaaktuatoren, wie sie zum Beispiel In 7 veranschaulicht sind, können auch derart angeordnet sein, dass das Plasma 68 unter einem Winkel in Bezug auf die Triebwerksmittellinie 8 ausgerichtet wird. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die zweite Elektrode 64 eines diskreten Plasmaaktuators in Bezug auf die erste Elektrode 62 derart positioniert wird, dass das erzeugte Plasma 68 unter einem Winkel relativ zu der Triebwerksmittelachse 8 ausgerichtet wird. Es kann unter manchen Betriebsbedingungen vorteilhaft sein, die Plasmaaktuatoren derart zu orientieren, dass die Strömung in der Nähe der Schaufelspitze angeregt wird, sich im Wesentlichen in der gleichen Richtung relativ zu dem Rotor wie der Hauptströmungskörper durch den Schaufelkanal auszurichten. In einer beispielhaften Ausführungsform wird dies erreicht, indem die zweite Elektrode 64 des Plasmaaktuators 60 axial stromabwärts von der ersten Elektrode 62 und in Umfangsrichtung gegenüber dieser versetzt angeordnet wird, so dass diese bei einer gewählten Betriebsbedingung unter im Wesentlichen dem gleichen Winkel wie die mittlere rotorrelative Strömungsrichtung liegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung und ihren beispielhaften Ausführungsformen, wie hierin offenbart, können die Plasmaaktuatoren auch so eingesetzt werden, dass sie den Verdichtungswirkungsgrad des Verdichters 18 verbessern. Es ist für Fachleute auf dem Gebiet allgemein bekannt, dass ein sehr hoher Grad an Impulsverlust und eine erhöhte Entropie vorliegen, die mit Leckströmen über den Spitzen 46 von Verdichterrotorschaufeln 40 im Zusammenhang stehen. Eine Reduktion einer derartigen Spitzenleckage hilft, Verluste zu reduzieren und den Verdichterwirkungsgrad zu verbessern. Indem die Richtungen der Spitzenleckströme modifiziert und diese veranlasst werden, sich mit dem Hauptfluidstrom in dem Verdichter unter einem Winkel zu vermischen, der näher an die Hauptströmungsrichtung kommt, hilft dies zudem, Verluste zu reduzieren und den Verdichterwirkungsgrad zu verbessern. Plasmaaktuatoren, die an dem Verdichtergehäuse 50 oder den Mantelsegmenten 51 montiert sind und in dem hierin offenbarten Sinne eingesetzt werden, erreichen diese Ziele der Reduktion von Schaufelspitzenleckströmen und der Neuausrichtung von diesen. Um den Spitzenleckstrom zu reduzieren, ist der Plasmaaktuator 60 in der Nähe des Schaufelspitzensehnenpunktes montiert, an dem die maximale Druckdifferenz zwischen den statischen Drücken an der Schaufeldruckseite 43 und -saugseite 44 vorliegt. In den hierin veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen liegt diese Stelle ungefähr bei etwa 10% der Sehne an der Schaufelspitze. Die Lage des Punktes maximaler statischer Druckdifferenz an der Schaufelspitze kann mit CFD bestimmt werden, wie dies in der Industrie allgemein bekannt ist. Wenn sie eingeschaltet sind, haben die Plasmaaktuatoren eine dreifache Wirkung auf den Spitzenleckstrom. Erstens leitet beispielsweise in der Anwendung zur Vergrößerung des Strömungsabrissgrenzabstands das durch den Plasmagenerator 60 erzeugte Plasma eine positive axiale Volumen- bzw. Körperkraft auf den Spitzenleckstrom ein, wodurch dieser angeregt wird, den Rotorspitzenbereich 52 zu verlassen, bevor eine verlustreiche Blockade erzeugt wird. Zweitens richtet der Plasmagenerator 60 den Spitzenleckstrom neu aus und veranlasst diesen, sich mit dem Hauptfluidstrom unter einem günstigeren Winkel zu vermischen, um den Verlust zu reduzieren. Es ist bekannt, dass das Verlustniveau in Verdich tungssystemen eine Funktion des Winkels zwischen den sich vermischenden Fluidströmen ist. Drittens reduziert der Plasmagenerator 60 den effektiven Strömungsquerschnitt für den Spitzenleckstrom und dadurch die Durchflussrate des Leckstroms. Ein Betreiben des Plasmaaktuatoren 101, 102, 105, 106 an dem Gehäuse 50 oder den Mantelsegmenten 51 oberhalb der Verdichterrotorschaufelspitze 46 wie in den 5, 6 und 7 veranschaulicht, erzeugt eine Kraft, die die Luft in dem Spitzenbereich sowohl in der Axialrichtung als auch von dem Rotorgehäuse 51 und den Mantelsegmenten 51 weg schiebt. Die Wirkung des Plasmas 68, das die Grenzschicht an dem Gehäuse 51 und den Mantelsegmenten 51 nach unten in den Spitzenspaltbereich drückt, veranlasst die Rotorschaufel 40, mit einem engeren effektiven Spitzenspalt bzw. -abstand CL (vgl. 5) um zu laufen, und sie reduziert die effektive Leckageströmungsquerschnittsfläche. Dies ist in Axialverdichtern besonders nützlich, bei denen das impulsarme Fluid in dem Spitzenbereich gegen einen ungünstigen Druckgradienten arbeitet, bei dem der statische Druck ansteigt, während die Luft weiter durch den Axialverdichter voranschreitet. In herkömmlichen Verdichtern arbeitet der ungünstige Druckgradient gegen das impulsarme Fluid in dem Spitzenwirbelbereich und veranlasst dieses, in die entgegengesetzte Richtung zu strömen, was höhere Verluste/niedrigen Wirkungsgrad zur Folge hat. Die Plasmaaktuatoren, wie sie in der hierin offenbarten Weise eingebaut und verwendet werden, unterstützen die Reduktion dieser nachteiligen Effekte der ungünstigen Druckgradienten an den Schaufelspitzen.
Die hierin offenbarten Plasmaaktuatorsysteme können betrieben werden, um eine Vergrößerung des Strömungsabrissgrenzabstandes der Verdichtungssysteme in der Maschine bzw. dem Triebwerk durch Anheben der Strömungsabrisskennlinie zu bewirken, wie dies beispielsweise durch die verbesserte Strömungsabrisskennlinie 113 in 3 veranschaulicht ist. Wenngleich es möglich ist, die Plasmaaktuatoren während des Triebwerkbetriebs kontinuierlich zu betreiben, ist es nicht notwendig, zur Verbesserung des Strömungsabrissgrenzabstands die Plasmaaktuatoren ununterbrochen zu betreiben. Unter normalen Betriebsbedingungen liegen Schaufelspitzenwirbel und kleine Regionen mit Umkehrströmung 200 (vgl. 4a) weiterhin in dem Rotorspitzenbereich 52 vor. Es ist zunächst erforderlich, die Verdichterbetriebspunkte zu identifizieren, an denen ein Strömungsabriss möglicherweise auftritt. Dies kann durch herkömmliche Analyse- und Testverfahren erfolgen, und Ergebnisse können auf einem Betriebsdiagramm, wie beispielsweise dem in 3 veranschaulichten, dargestellt werden. Bezug nehmend auf 3 sind zum Beispiel bei normalen Betriebspunkten auf der Betriebskennlinie 116 die Strömungsabrissgrenzabstände in Bezug auf die Strömungsabrisskennlinie 112 ausreichend, so dass die Plasmaaktuatoren nicht eingeschaltet werden müssen. Wenn jedoch der Verdichter gedrosselt wird, wie beispielsweise entlang der Kennlinie 122 konstanter Drehzahl, nimmt die axiale Geschwindigkeit der Luft in der Verdichterstufe über die gesamte Schaufelspannweite von dem Schaufelfuß 45 zu der Schaufelspitze 46, insbesondere in dem Spitzenbereich 52, ab. Dieser Abfall der axialen Geschwindigkeit, gekoppelt mit höherem Druckanstieg an der Rotorschaufelspitze 46, erhöht den Durchfluss über der Rotorschaufelspitze und die Stärke des Spitzenwirbels, wodurch die Bedingungen für den Auftritt eines Strömungsabrisses geschaffen werden. Wenn der Verdichterbetrieb näherungsweise Bedingungen erreicht, die gewöhnlich in der Nähe eines Strömungsabrisses oder der Strömungsabrisskennlinie 112 lie gen, werden die Plasmaaktuatoren eingeschaltet. Das Steuersystem 74 und/oder die elektronische Steuereinrichtung ist/sind eingerichtet, um das Plasmaaktuatorsystem früh genug einzuschalten, bevor sich die Betriebspunkte der Strömungsabrisskennlinie 112 annähern, bei der der Verdichter wahrscheinlich einen Strömungsabriss erleidet. Es ist vorzuziehen, die Plasmaaktuatoren frühzeitig, eine geraume Zeit vor dem Erreichen der Strömungsabrisskennlinie 112 einzureichen, weil dies das absolute Drosselungssicherheitsabstandsvermögen erhöht. Jedoch besteht keine Notwendigkeit, die zum Betreiben der Aktuatoren benötigte Energie aufzuwenden, wenn der Verdichter unter einwandfreien stationären Bedingungen, wie beispielsweise auf der Betriebskennlinie 116 arbeitet.
Alternativ können, anstatt die Plasmaaktuatoren 101, 102, 104, 105 in einem kontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben, wie vorstehend beschrieben, die Plasmaaktuatoren in einem gepulsten Modus betrieben werden. In dem gepulsten Betriebsmodus werden einige oder alle der Plasmaaktuatoren 101, 102, 105, 106 mit irgendwelchen vorbestimmten Frequenzen pulsartig ein- und ausgeschaltet („Pulsation” bzw. „Taktung”). Es ist bekannt, dass der Spitzenwirbel, der zu einem Verdichtungsströmungsabriss führt, im allgemeinen einige Eigenfrequenzen aufweist, die zu der Wirbelablösefrequenz eines in einem Fluidstrom platzierten Zylinders irgendwie ähnlich sind. Für eine gegebene Rotorgeometrie können diese Eigenfrequenzen analytisch berechnet oder während Tests unter Verwendung von Sensoren für instationäre Strömung gemessen werden. Diese können in die Betriebsroutinen in einem FADEC-System oder in anderen Triebwerkssteuersystemen 74 oder einer elektronischen Steuereinrichtung 72 für die Plasmaaktuatoren einprogrammiert werden. Dann können die Plasmaaktuatoren 101, 102, 105, 106 durch das Steuersystem mit gewählten Frequenzen, die beispielsweise mit den Wirbelablösefrequenzen oder den Schaufelvorbeilauffrequenzen der verschiedenen Verdichterstufen in Beziehung stehen, schnell gepulst eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Alternativ können die Plasmaaktuatoren mit einer Frequenz gepulst ein- und ausgeschaltet werden, die einem „Mehrfachen” einer Wirbelablösefrequenz oder einem „Mehrfachen” der Schaufelvorbeilauffrequenz entspricht. Der Ausdruck „Mehrfaches”, wie er hierin verwendet wird, kann jede beliebige Zahl oder ein Bruch sein und kann Werte gleich eins, größer als eins oder kleiner als eins aufweisen. Das Pulsen bzw. Takten der Plasmaaktuatoren kann mit der Wirbelfrequenz phasengleich erfolgen. Alternativ kann das Pulsen der Plasmaaktuatoren zu der Wirbelfrequenz phasenversetzt, mit einem gewählten Phasenwinkel vorgenommen werden. Der Phasenwinkel kann zwischen etwa 0 Grad und 180 Grad variieren. Es ist vorzuziehen, die Plasmaaktuatoren zu der Wirbelfrequenz um etwa 180 Grad phasenversetzt pulsieren zu lassen, um den Schaufelspitzenwirbel schnell abzubauen, wenn er sich bildet. Der Phasenwinkel und die Frequenz der Plasmaaktuatoren können auf der Basis von Messwerten der Spitzenwirbelsignale gewählt werden, wobei Sonden verwendet werden, die in der Nähe der Schaufelspitze montiert sind. Es kann jedes beliebige geeignete Verfahren zum Messen der Schaufelspitzenwirbelsignale unter Verwendung von Sonden eingesetzt werden, wie zum Beispiel unter Verwendung dynamischer Druckwandler, die von Kulite Semiconductor Products hergestellt werden.
Während eines Triebwerkbetriebs schaltet das Plasma-Schaufelspitzenspalt-Steuersystem 90 den Plasmagenerator 60 ein, um das Plasma 68 zwischen dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder den Mantelsegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46 aus zubilden. Es kann eine elektronische Steuereinrichtung 72 verwendet werden, um den Plasmagenerator 60 zu steuern und den Plasmagenerator 60 ein- und auszuschalten. Die elektronische Steuereinrichtung 72 kann auch dazu verwendet werden, den Betrieb der Wechselstrom-Energieversorgung 70 zu steuern, die an die Elektroden 62, 64 angeschlossen ist, um ein Hochspannungswechselpotential an die Elektroden 62, 64 anzulegen. Das Plasma 68 schiebt die Luft nahe der Oberfläche von der radial nach innen weisenden Fläche 53 des ringförmigen Gehäuses 50 (oder der Mantelsegmente 51) weg. Dies erzeugt einen effektiven Spalt 48 zwischen dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder den Mantelsegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46, der kleiner ist als ein kalter Spalt zwischen dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder den Mantelsegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46. Der kalte Spalt ist der Spalt, wenn die Maschine bzw. das Triebwerk nicht läuft. Der tatsächliche Spalt oder Betriebsspalt zwischen dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder den Mantelsegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46 variiert während des Betriebs aufgrund von Wärmewachstum und Zentrifugalkraftbelastungen. Wenn der Plasmagenerator 60 eingeschaltet ist, ist der effektive Spalt 48 (CL) zwischen der ringförmigen Gehäusefläche 53 und den Schaufelspitzen 46 (vgl. 5) kleiner, als wenn der Aktuator abgeschaltet wird.
Der kalte Spalt oder Abstand zwischen dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder den Mantelsegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46 ist so bemessen, dass die Schaufelspitzen während eines Hochleistungsbetriebs des Triebwerks, wie etwa während des Starts, wenn die Schaufelscheibe und Schaufeln sich zufolge hoher Temperatur und Zentrifugalkraftbelastungen ausdehnen, nicht an dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder an den Mantelsegmenten 51) reiben. Die hier beschriebenen Ausfüh rungsformen der Plasmaaktuatorsysteme sind dazu ausgelegt und können so betrieben werden, dass der Plasmagenerator 60 derart aktiviert wird, dass er während transienter Triebwerksvorgänge, bei denen die Betriebskennlinie angehoben ist (vgl. Kennlinie 114 in 3), das ringförmige Plasma 68 dort ausbildet, wo größere Strömungsabrissgrenzabstände erforderlich sind, um einen Strömungsabriss im Verdichter zu vermeiden, oder während Flugzustände, bei denen die Spalte 48 kontrolliert werden müssen, wie zum Beispiel bei einer Reiseflugbedingung des von dem Triebwerk angetriebenen Flugzeugs. Andere Ausführungsformen der hier veranschaulichten beispielhaften Plasmaaktuatorsysteme können bei anderen Arten von Gasturbinenmaschinen, wie etwa Schiffs- oder industriellen Gasturbinenmaschinen, verwendet werden.
Bei einer Konstruktion mit segmentiertem Mantel 51 umgeben die segmentierten Mantelelemente 51 die Verdichterschaufeln 40 und sie helfen, eine Leckage der Strömung an den radial äußeren Schaufelspitzen 46 der Verdichterschaufeln 40 vorbei zu reduzieren. Ein Plasmagenerator 60 ist im Abstand zu den Schaufelspitzen 46 radial außerhalb und getrennt von diesen angeordnet. Bei dieser Anwendung auf segmentförmige Mantelelemente ist der ringförmige Plasmagenerator 60 in Segmente unterteilt, mit einer segmentierten Ringnut 56 und segmentiertem dielektrischen Material ausgebildet, das in der segmentierten Ringut 56 angeordnet ist. Jedes Segment des Mantels weist ein Segment der Ringnut, ein Segment des dielektrischen Materials, das in dem Segment der Ringnut angeordnet ist, und eine erste sowie eine zweite Elektrode auf, die durch das Segment des dielektrischen Materials voneinander getrennt sind, das in dem Segment der Ringnut angeordnet ist.
Eine AC(Wechselstrom)-Versorgung 70 wird dazu verwendet, ein Hochspannungs-Wechselpotential in einem Bereich von etwa 3–20 kV (Kilovolt) an die Elektroden anzulegen (wobei AC für Wechselstrom steht). Wenn die AC-Amplitude hinreichend groß ist, wird die Luft in einem Bereich höchsten elektrischen Potenzials unter Ausbildung eines Plasmas 68 ionisiert. Das Plasma 68 beginnt allgemein an Kanten der ersten Elektroden und breitet sich über einen durch die zweiten Elektroden projizierten Bereich aus, der von dem dielektrischen Material abgedeckt ist. Das Plasma 68 (ionisierte Luft) erzeugt in Gegenwart eines elektrischen Feldgradienten eine Kraft auf die Umgebungsluft, die sich radial innen von dem Plasma 68 befindet, wodurch eine virtuelle aerodynamische Gestalt induziert wird, die eine Veränderung in der Druckverteilung über der radial nach innen weisenden Fläche 53 des ringförmigen Gehäuse 50 (oder der Mantelsegmente 51) bewirkt. Die Luft in der Nähe der Elektroden ist schwach ionisiert, und es findet nur eine geringe oder keine Erwärmung der Luft statt.
Das plasmagestützte System 90 zur Steuerung des effektiven Spaltabstands an der Schaufelspitze kann auch in beliebigen Verdichtungsabschnitten der Maschine bzw. des Triebwerks, wie beispielsweise dem Booster 16, einem Niederdruckverdichter (LPC), einem Hochdruckverdichter (HPC) 18 und/oder einem Bläser 12 eingesetzt werden, die ringförmige Gehäuse oder Mäntel (Umhüllungen) und Rotorschaufelspitzen aufweisen.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Art und Weise zur Ausführung, zu offenbaren und auch dazu, einen Fachmann in den Stand zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu benutzen. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann weitere Ausführungsbeispiele mit umfassen, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzbereich der Patentansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn die äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Zusammenfassung:
Es ist ein Plasma-Leckstrom-Steuersystem für einen Verdichter offenbart, das eine Umfangsreihe von Verdichterschaufeln, ein die Spitzen der Schaufeln umgebendes ringförmiges Gehäuse, das von den Spitzen der Schaufel radial getrennt angeordnet ist, und wenigstens einen ringförmigen Plasmagenerator aufweist, der an dem ringförmigen Gehäuse angeordnet ist. Der ringförmige Plasmagenerator weist eine innere Elektrode und eine äußere Elektrode auf, die durch ein dielektrisches Material voneinander getrennt sind. Eine Gasturbinenmaschine mit einem Plasma-Leckstrom-Steuersystem weist ferner ein Maschinensteuersystem auf, das den Betrieb des ringförmigen Plasmagenerators derart steuert, dass der Schaufelspitzenleckstrom verändert werden kann.

Claims

Verdichterschaufelspitzenleckstrom-Steuersystem, das aufweist: ein ringförmiges Gehäuse, das eine Reihe von Verdichterschaufeln umgibt, die Schaufelspitzen aufweisen; und wenigstens einen ringförmigen Plasmagenerator, der radial außerhalb und getrennt von den Schaufelspitzen angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Plasmagenerator an dem Gehäuse montiert ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Plasmagenerator eine radial innere Elektrode und eine radial äußere Elektrode aufweist, die durch ein dielektrisches Material voneinander getrennt sind.
System nach Anspruch 3, das ferner eine Wechselstrom-Energieversorung aufweist, die an die innere Elektrode und die äußere Elektrode angeschlossen ist, um ein Hochspannungswechselpotential an die Elektroden anzulegen.
System nach Anspruch 1, das ferner eine Steuereinrichtung aufweist, die den Plasmagenerator in der erforderlichen Weise ein- und ausschaltet, um den effektiven Schaufelspitzenspalt einer Verdichterrotorstufe zu verändern.
Verdichterschaufelspitzenleckstrom-Steuersystem, das aufweist: mehrere Mantelelemente, die eine Reihe von Schaufeln umgeben, die Schaufelspitzen 46 aufweisen; und wenigstens einen ringförmigen Plasmagenerator, der radial außerhalb und getrennt von den Schaufelspitzen angeordnet ist.
System nach Anspruch 6, wobei der Plasmagenerator an einem Mantelelement montiert ist.
Verdichter, der aufweist: einen Rotor mit einer Umfangsreihe von Schaufeln; ein die Reihe von Schaufel umgebendes Gehäuse, das in Radialrichtung von den Spitzen der Schaufeln getrennt angeordnet ist; und ein System zur Steuerung des Leckstroms zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse, wobei das System wenigstens einen ringförmigen Plasmagenerator aufweist, der an dem Gehäuse angeordnet ist.
Verdichter, der aufweist: einen Rotor mit einer Umfangsreihe von Schaufeln; mehrere Mantelelemente, die die Reihe von Schaufeln umgeben und in Radialrichtung von den Spitzen der Schaufeln getrennt angeordnet sind; und ein System zur Steuerung des Leckstroms zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse, wobei das System wenigstens einen ringförmigen Plasmagenerator aufweist, der an dem Gehäuse angeordnet ist.
Gasturbinenmaschine, die aufweist: einen Verdichter mit einer Umfangsreihe von Schaufeln; ein die Spitzen der Schaufeln umgebendes Gehäuse, das in Radialrichtung von den Spitzen der Schaufeln getrennt angeordnet ist; ein System zur Steuerung des Leckstroms zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse, wobei das System wenigstens einen ringförmigen Plasmagenerator aufweist, der an dem Gehäuse angeordnet ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 10, die ferner aufweist: ein Maschinensteuersystem, das den Betrieb des Plasmagenerators derart steuert, dass der Leckstrom zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse reduziert ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch, wobei der ringförmige Plasmagenerator eine innere Elektrode, eine äußere Elektrode und ein dielektrisches Material aufweist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 12, wobei das dielektrisches Material in einer radial nach innen weisenden Oberfläche des Gehäuses angeordnet ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 10, wobei der ringförmige Plasmagenerator in einer Nut in dem Gehäuse angeordnet ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 10, die mehrere ringförmige Plasmageneratoren aufweist, die in Axialrichtung voneinander getrennt angeordnet sind.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 10, die ferner mehrere diskrete Plasmageneratoren aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander getrennt angeordnet sind.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 10, wobei der ringförmige Plasmagenerator an einer Oberfläche angeordnet ist, die in Radialrichtung von der Schaufelspitze getrennt angeordnet ist.
Gasturbinenmaschine, die aufweist: einen Verdichter mit einer Umfangsreihe von Schaufeln; mehrere Mantelsegmente, die in Umfangsrichtung verteilt und in Radialrichtung von den Spitzen der Schaufeln getrennt angeordnet sind; ein System zur Steuerung des Leckstroms zwischen den Schaufelspitzen und den Mantelsegmenten, wobei das System wenigstens einen an den Mantelsegmenten angeordneten ringförmigen Plasmagenerator aufweist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 18, wobei der ringförmige Plasmagenerator an einer Oberfläche angeordnet ist, die in Radialrichtung von der Schaufelspitze getrennt angeordnet ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 18, die ferner mehrere diskrete Plasmageneratoren aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander getrennt angeordnet sind.