DE2363339C2

DE2363339C2 - Enteisungsanlage für Strömungsmaschinen von Luftfahrzeugen

Info

Publication number: DE2363339C2
Application number: DE2363339A
Authority: DE
Inventors: Ambros Siegfried West Haven Conn. Hoffmann
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1973-02-05
Filing date: 1973-12-17
Publication date: 1982-12-02
Also published as: US3834157A; IT1002829B; FR2216442B1; DE2363339A1; FR2216442A1; SE407553B; JPS49105014A; GB1432789A; JPS5326245B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Enteisungsanlage für Strömungsmaschinen von Luftfahrzeugen, wie Gasturbinen, bei der heißes öl .koachsb¹. zur Drehachse auf die innere kuppeiförmige Oberfläche der hohlen Nabenhaube geführt und durch Einwir? ung der Zentrifugalkräfte abgeführt wird.

Die Gasturbinen von Flugzeugen arbeiten unter Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen, die oftmals zur Bildung erheblicher Eisschichten an den Turbineneinlässen führen können, wodurch sich ernsthafte Beeinträchtigungen der Funktionsweise der Gasturbine ergeben.

Zur Vermeidung einer Eisbildung an Gasturbinuieinlässen sind im Laufe der Zeit zahlreiche Vorschläge unterbreitet worden, von denen die hier interessierenden im wesentlichen darin bestehen, daß ein heißer Gasstrom oder heißes Öl auf die gefährdeten Teile beaufschlagt werden, insbesondere auf die Nabenhaube der unmittelbaren Umgebung. Soweit zur Erwärmung heiße Gase angewandt werden, müssen dieselben an einer geeigneten Stelle der Gasturbine, wie dem Kompressor-Auslaß oder dem antreibenden Gasstrom entnommen werden, wodurch sich eine nicht unerhebliche negative Beeinflussung des Gesamtwirkungsgrades der Turbine ergibt Auch das Anwenden von heißem öl für den genannten Zweck zum Zeitpunkt einer Vereisungsgefahr bedingt das Anwenden erheblicher apparativer Aufwendungen, wie Fühlvorrichtungen für das Feststellen eines entsprechenden Zustandes, Anordnungen für das Steuern der ölbeaufschlagung, entsprechende Sehaltelemente usw., wodurch sich eine relativ verwik· kelte und somit störanfällige Gesamtanordnung ergibt Sobald die Beaufschlagung von heißem Öl koachsial zu der Drehachse auf die kuppeiförmige Oberfläche der hohlen Nabenhaube ohne zusätzliche meßtechnische und apparative Hilfsmittel in Betracht gezogen worden ist, war jedoch der Wirkungsgrad der Enteisung wenig befriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Enteisungsanlage der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Verteilung der von der inneren Oberfläche der Nabenhaube übertragenen Wärme auf die gesamte Haube verbessert wird.

Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß in kennzeichnender Weise dadurch gelöst, daß die der Wärmeübertragung dienende, innere kuppeiförmige Oberfläche aus zwei getrennten Teilen besteht, wobei das erste, den Scheitel der kuppeiförmigen Oberfläche bildende Teil einteilig ausgeführt ist mit einem vorderen Nabenabschnitt der Nabenhaube, und daß sich das anschließende zweite Teil einteilig ausgeführt ist mit einem hinteren Nabenabschnitt

! 5 Weitere erfindungsgemäße Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Enteisungsanlage zeichnet sich durch ihren relativ einfachen Aufbau, hohen Wirkungsgrad der Enteisung und kontinuierliche Arbeitsweise unabhängig von den Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsverhältnissen während des Fluges aus, wodurch eine zusätzliche Kühlung des für den Beirieb der Turbine erforderlichen Schmiermittels erzielt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 eine vereinfachte Gesamtansicht einer Gasturbine mit einer Enteisungsanlage;

F i g. 2 eine stark vergrößerte, längsseitige weggebrochene Ansicht des Einlasses einer Gasturbine mit einer wahlweise:! Ausführungsform;

F i g. 3 eine weggebrochene, vergrößerte, längsseitige Ansicht im Schnitt des Einlasses einer Gasturbine mit einer Enteisungsanlage.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 ist dort eine Gasturbine gezeigt Diese Gasturbine weist einen Einlaß 10 auf, der durch eine Nabenhaube 12 und ein äußeres Schaufelversteifungsband 14 begrenzt ist, das in einer äußeren Motorhaube c, siehe die gestrichelten Linien, angeordnet sein kann. Eine Reiiic Flügelrad-Schaufeln 16, die an einer Nabe 18 befestigt ist, läuft um unter Beschleunigen der Luft vorbei an den Leitrad-Schaufeln 20 und Tragschaufeln 22 für die Gasabgabe aus dem Auslaß unter Ausbilden eines nach vorne gerichteten Schubes.

Ein Teil der durch die Flügelrad-Schaufeln 16 beschleunigten Luft tritt in einen Einlaß 26 durch eine Vorverdichter-Stufe 28 ein und durch einen ringförmigen Einlaßkanal 30 zu einer Kompressor-Anordnung 32, die einen mehrstufigen Kompressor mit Achsiaifluß in Verbindung mit einem Zentrifugal-Laufrad aufweist Die durch den Kompressor 32 unter Druck gesetzte Luft wird an eine Brennkammer 34 abgegeben, in der Brennstoff mit der Luft vermischt und gezündet wird unter Ausbilden eines heißen Gasstroms. Der heiße Gasstrom tritt über eine Turbinenanordnung 36, die über eine Welle 38 den Kompressor 32 antreibt. Von dort aus tritt der Gasstrom über eine Flügelrad-Turbinenanordnung 40, die die Flügelrad-Scheibe 18 über eine Flügelrad-Turbinenwelle 42, Untersetzungsgetriebe 44 und hohle Tragwelle 46 antreibt,

Der aus der Flügelrad-Turbinenanordnung 40 kommende Gasstrom wird aus der Turbine durch den Turbinenauslaß 48 abgegeben und führt zu einem zusätzlichen nach vorne gerichteten Schub für die Turbine. Eine gestrichelt wiedergegebene geeignete Motorgondel η führt zu einem stromlinienförmigen Fließ weg um die Turbine herum.

Das Einlaßgebiet der Turbine und insbesondere die Nabenhpibe 12 neigt unter bestimmten Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen zu einem Ansammel. von Eis,

Um diese Bedingungen auszuschalten, findet in der Turbine die nachfolgend beschriebene Enteisungsanlage Anwendung.

Die Enteisungsanlage weist eine Wärmeübertragungs-Oberfläche 50 auf, die sich in dem Inneren der Nabenhaube 12 befindet Diese Wärmeübertragungsoberfläche 50 iSuil mit der äußeren Oberfläche der Nabenhaube 12 um. Es wird ein Strom einer erhitzten Flüssigkeit an die Oberfläche 50 durch eine mit einer Leitung 54 verbundene Düse 52 geführt Die Leitung 54 steht in Verbindung mit der Hochdruckleitung 56 des Schmiersystems der Turbine. Diese Hochdruckleitung weist einen Filter 58 für die Entfernung von Verunreinigungen auf. Eine durch die Turbine angetriebene Hochdruck-Pumpe 60 empfängt das Schmiermittel in Form einer Flüssigkeit von der Zuführungsleitung 62 aus, die in Verbindung mit einem Schmierrcittel-Speichertank 64 steht Das öl wird in den Tank 64 durch einen Wärmeaustauscher 68 über eine Rückführungsleitung 66 vermittels einer Spülpumpe 70 zurückgeführt Die Spülpumpe 70 empfängt das Schmiermittel aus verschiedenen ölwannen der Turbine. Eine der die Spülpumpe 70 speisenden Rückführungsleitungen 72 erstreckt sich bis zu einer Stelle benachbart zu einer Lageranordnung 74, die die Scheibe 18 über die Tragwelle 46 lagert Wie weiter unten erläutert, liegen radiale öffnungen durch die Wände der Welle 46 zu Gleitelementen der Lageranordnung 74 vor. Die durch diese öffnungen hindurchtretende Schmierflüssigkeit wird durch die Leitung 72 für die Abgabe an die Spülpumpe 70 gesammelt

Unter Bezugnahme auf die F i g. 3 ist dort das Enteisungssystem im Einzelnen gezeigt Die Flügelradscheibe 18 ist teleskopartig über eine hohle Tragwelle 46 geführt und daran befestigt

Die Welle 46 wird durch die Lageranordnung 74 und zusätzlich eine Lageranordnung 76 gelagert, die beide durch einen allgemein kegelförmigen Rahmen 78 getragen werden.

Die Nabenhaube 12 weist einen ringförmigen hinteren Nabenabschnitt 80 mit einer stromlinienförmigen Form und einen inneren Nabenteil 82 iuf. Das Nabenteil 82 besitzt eine Schulter 84, die an einem verdickten Stirnflansch 86 der Welle 46 anliegt Ein vorderer Nasenabschnitt 88 der Nabenhaube 12 ist scheibenförmig und weist eine gekrümmte, konvexe äußere Oberfläche auf, die in die stromlinienförmige Form des hinteren Nabenabschnittes 80 verlauf«. Der vordere Nasenabschnitt 88 besitzt einen mittleren Ansatz 90, der teleskopartig in eine Bohrung 92 in dem hinteren Nabenteil 82 des hinteren Nabenabschnittes 80 geführt ist.

Geeignete Bolzen 96 erstrecken sich vom vorderen Nasenabschnitt 88, über den hinteren Nabenabschnitt 80 zum vorderen Ende der Welle 46. Ein Paar O-Ringe 98 und 100 ergeben die ölabdichtungen zwischen den Teilen.

Die kuppeiförmige Oberfläche 50 ist konkav und weist ein erstes, den Scheitel der kuppeiförmigen Oberfläche bildendes Teil 102 und ein anschließendes zweites Teil 104 auf.

Es liegt eine Umfangsausnehrnung 106 an dem Umfang des vorderen Nas^nabschnittes 88 unter Ausbilden einer Lippe 108 vor. Eine zweite Umfangsausneh- 110, die eine Lippe 112 begrenzt, wird durch die Verbindung des hinteren Endes des hinterer. Nübenabschnittes 80 mit einem dünnen, ringförmigen Leitungstlement 114 ausgebildet, das eine u-ntn. ■. wü-ieifunp vor den Flügelrad-Schaufeln 16 bildet

Die Düse 52 liegt am Ende der Leitung 54 und ist winkelförmig so angeordnet, daß ein Strom der Schmierflüssigkeit gegen die kuppeiförmige Oberfläche 50 gerichtet wird. Die Leitung 54 erstreckt sich über praktisch die gesamte Länge der Welle 46 und wird an einem relativ dünnen Wandrohr 1116 getragen, das einen wesentlich größeren Durchmesser als die Leitung 54 aufweist Sowohl das Rohr 116 als auch die Leitung 54 werden durch eine Traganordnung 118 getragen, die dazu dient das Untersetzungs-Getriebe 30 zu tragen und zu lagern. Eine verwickelte Anlage an Kanälen 120 verbindet das Ende der Leitung 54 mit dem Einlaß 122, der mit der Hochdruckleitung 56 des Schmiersystems, siehe F i g. 1, verbunden ist

Die Lageranordnung 74, die die Scheibe 18 bis zu der Welle 46 trägt, weist einen äußeren Laufring 122 auf, der in geeigneter Weise mit dem Ra'^ienelement 78 verbunden ist, sowie einen inneren Laufring 124, der ieleskopartig über die Welle 46 geführt und hieran befestigt ist Eine Vielzahl an Gleitrollen 126 wird zwischen den inneren und äußeren Laufringen 122,124 gehalten. Es ist eine Reihe radialer öffnungen 128 in der Welle 46 zu dem inneren Laufring 124 der Lageranordnung 74 ausgebildet Der innere Laufring 124 weist eine ringförmige Ausnehmung 130 auf, die mit den öffnungen 128 verbunden ist Eine Reihe öffnungen 132 erstreckt sich von der Ausnehmung 130 über den inneren Laufring 124, so daß das Schmiermittel zu den Rollen 126 geführt werden kann. Das durch die Lageranordnung 74 hindurchgetretene Schmiermittel fließt durch das untere Teil des Rahmenelementes 78 herunter durch einen Kanal 134 zwecks Verbindung mit der Zuführungsleitung 72 des Schmiersystems, siehe F i g. 1.

Die F i g. 2 zeigt eine wahlweise Konfiguration für die kuppeiförmige Oberfläche 50. Bei dieser Ausiührui.gsform besitzt der Ansatz 90 des vorderen Nasenabschnittes 88 ein erstes Teil 102. Das hintere Nabenteil 82 des Kinteren Nabenabschnittes 80 bildet ein zweites Teil 104, das eine spiralförmige Auskehlung 140 besitzt Bezüglich dieser Ausführungsform ist die Düse 52 so gezeigt, daß sich dieselbe längs der Achse der Nabenhaube 12 erstreckt In der praktischen Anwendung jedoch würde die Düse an der Seite der Achse angeordnet sein und durch ein Rohr getragen werden, das ähnlich dem Rohr 116 nach der Fig.3 ist. Ein Paar O-Ringe 98 und 100 ergeben ölabdichnungen zwischen den Teilen.

Der Betrieb der Enteisungsanlage erfolgt wie weiter oben im Zusammenhang mit der F i g. 3 erläutert. Während dci Betriebes der Turbine führt das Schmiersystem konstant unter Druck stehendes Schmiermittel in flüssiger Form durch die Hochdruckleitung 56 zu. Unter normalen Betriebsbedingungen besitzt das Schmiermittel eine Temperatur von etwa 95° C in der Leitung 56. Das Schmiermittel in dieser Leitung wird für das Schmieren und Kühlen der die verschiedenen Rotoren in der Turbine tragenden Lageranordnungen angewandt. Dasselbe wird weiterhin in Form sines Stroms aus der Düse 52 gegen die kuppe'förmige Oberfläche 50 — benachbart zu dem Drehmittelpunkt derselben — abgegeben. Da die kuppclförmige Oberfläche 50 in einem Wärmeübertragungs-Verhältnis mit dem Inneren der Nabenhaube 12 steht, wird hierdurch in wirksamer Weise die Oberfläche dadurch enteist, daß die

Oberfläche ausreichend erhitzt wird unter Wegschrnelzen jedweden Eises, das sich hierauf ausbildet.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 3 ist die kuppeiförmige Oberfläche 50 dergestalt angeordnet, daß die Wärme vorzugsweise durch das Nabenteil 82 auf den hinteren Nabenabschnitt 80 der Nabenhaube 12 übertragen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß eine größere Wärmeübertragungs-Oberfläche für diesen hinteren Nabenabschnitt 80 als für die Oberfläche des vorderen Nasenabschnitts 88 vorgesehen wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß eine größere Neigung zum Ansammeln von Eis an dem hinteren Nabenabschnitt 80 als an dem vorderen Nasenabschnitt 88 gegeben ist.

Nach Schmelzen des Eises neigt das Wasser dazu, sich aufgrund der Oberflächenspannung derselben auf der äußeren Oberfläche der Nabenhaube abzuscheiden. Die Umfangsausnehmungen 110 und 106 führen dazu, daß liic O¹—^fI~~^l'~'"";i"""f;™ unterbrochen und d'irch Hip Zentrifugalkraft überwunden wird, wodurch das Wasser nach außen geworfen wird und in den EinLß 10 eintritt.

Da die kuppeiförmige Oberfläche 50 mit der Nabenhaube 12 umläuft, bewegt sich das darauf abgegebene Schmiermittel radial nach außen aufgrund der Zentrifugalkraft. Diese Oberfläche 50 schließt mit ihrem hinteren Ende an die inneren Wände der Welle 46 an, so daß das Schmiermittel in einem dünnen Film zu diesen Wänden fließt. In einigen Fällen ist es lediglich ausreichend, das innere Ende der Welle 46 mit dem Rückführungssystem für das Schmiermittel zu verbinden. Bei der gezeigten Turbine jedoch läßt man das Schmiermittel radial nach außen durch Öffnungen 128 für das Schmieren und Kühlen der Lageranordnung 74 treten. Von hier aus kann das Schmiermittel durch die Öffnungen 134 treten, so daß dasselbe in der üblichen Weise für die Spülpumpe gesammelt wird. Gegebenenfalls können auch zusätzliche Lagerelemente geschmiert werden unter Anwenden dieses kontinuierlichen Schmiermittelflusses längs der inneren Wände der Welie 46.

Die Konfiguration der kuppeiförmigen Oberfläche 50 nach F i g. 3 ermöglicht eine noch größere Wärmeübertragung von dem Schmiermittel auf den hinteren Nabenabschnitt 80 der Nabenhaube 12. Dies wird unter Anwenden der spiralförmigen Auskehlung 140 erzielt, deren .Schraubrichtung der Drehrichtung der Turbine entgegengesetzt ist, so daß das Schmiermittel zu dem hinteren Ende des zweiten Teils 104 durch die Auskehlung 140 geführt wird. Wenn /.. B. die Turbine in Uhrzeigerrichtung, bei Betrachten von vorne, umläuft, erstreckt sich die Auskehlung 140 entgegengesetzt der Uhrzeigerrichtung. Das Schmiermittel bewegt sich mit einer relativ hohen Geschwindigkeit durch die Auskehlung 140 in einer dünnen Schicht. Hierdurch erhöht sich erheblich der Laufweg des Schmiermittels, den derselbe zurücklegen muß bevor der Schmiermittel die kuppeiförmige Oberfläche 50 verläßt, jedoch wird zusätzlich erheblich die Geschwindigkeit erhöht. Beispielsweise beläuft sich die Geschwindigkeit des Schmiermittels durch die Auskehlung 140 auf einen Wert von mehr als 15m/sec. im Vergleich zu etwa 0,60 m/sec. bei einer glatten Wärmeübertragungs-Oberfläche. Als Ergebnis hiervon wird der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung des Nabenteils 82 wesentlich erhöht, wodurch

sich eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der Enteisung der äußeren Oberfläche der Nabenhaube 12 ergibt.

Die Enteisungsanlage enteist in wirksamer Weise kontinuierlich die Nabenhaube 12, ohne daß irgendwelche antreibenden Strömungsmittel, die durch die Turbine hindurchgehen, abgezweigt werden müssen.

Dies ist von großer Wichtigkeit, da hierdurch ein kontinuier'ches Enteisungsverfahren geschaffen wird, ohne daß eine merkliche Verringerung des Wirkungsgrades der Turbine erfolgt. Die Nabenhaube 12 wirkt als ein Wärmeaustauscher für das Schmiermittel in dem Sinne, daß die Wärme aus dem Schmiermittel abgeführt wird während das Schmiermittel die Einlaß-Nabenhaube 12 enteist Da die Anlage kontinuierlich betrieben wird, ergibt sich kein Erfordernis, einen Mechanismus vorzusehen, der die Ei.ieisungsanlage in Funktion und außer Funktion setzt. Was also bisher ein recht verwickelt aufgebautes und kostspieliges System gewesen ist, stellt nunmehr eine sehr einfache Anordnung dar, die keiner Steuerlogik bedarf. Hierdurch werden die Kosten der Anlage erheblich verringert, sowie die Erstellung einer verläßlichen und vereinfachten Turbine ermöglicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Enteisungsanlage für Strömungsmaschinen von Luftfahrzeugen, wie Gasturbinen, bei der heißes öl koachsial zur Drehachse auf die innere kuppeiförmige Oberfläche der hohlen Nebenhaube geführt und durch Einwirkung der Zentrifugalkräfte abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die der Wärmeübertragung dienende, innere kuppelförmige Oberfläche (50) aus zwei getrennten Teilen (102, 104) besteht, wobei das erste, den Scheitel der kuppeiförmigen Oberfläche (50) bildende Teil (102) einteilig ausgeführt ist mit einem vorderen Nabenabschnitt (88) der Nabenhaube (12) und das sich anschließende zweite Teil (104) einteilig ausgeführt ist mit einem hinteren Nabenabschnitt (80).

2. Enteisungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teil (104) mit einer spiralförmigen Auskehlung (140) versehen ist

3. Enteisungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teil (104) in radialer Richtung eine gegenüber der Wandstärke des hinteren Nabenabschnitts (80) dickere Wandstärke aufweist