DE2547229A1

DE2547229A1 - Verteilerkopf fuer abzweigluft

Info

Publication number: DE2547229A1
Application number: DE19752547229
Authority: DE
Inventors: Melvin Bobo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-10-29
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1976-05-13
Also published as: FR2289739B1; GB1522975A; DE2547229C2; FR2289739A1; US3945759A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinengehäuse und insbesondere solche Strukturen, die eingerichtet sind zur Abzweigung von Zwischenstufenluft vom Verdichter. In einem Gasturbinentriebwerk strömt die Luft von einem Einlaß zum Verdichter und von da zu einer Brannkammer, und es ist erwünscht, daß die thermodynamisehen Verhältnisse des Drucks, der Strömung und der Temperatur an jeder bestimmten axialen Stelle desselben gleichförmig um die Triebwerkachse herum sind. Jegliche Störungen des normalen Strömungsmusters durch den Verdichter neigen dazu, Druckänderungen über den lateralen Abschnitten des Triebwerkes zu verursachen, und führen

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damit zu einem geringeren Wirkungsgrad und einem verringerten Sicherheitsspielraum gegen Abdrosseln. Triebwerke für Luftfahrzeuge mit Unterschallgeschwindigkeit besitzen im normalen Flug mit normalem Einlaß allgemein gleichförmige Einlaßverhältnisse und daher tritt nur eine geringe Ungleichförmigkeit in dem Verlauf des Luftstroms ein. Im Falle von Überschalltriebwerken, die hinter überschalleinlässen fliegen, oder Unterschalltriebwerken, welche unter Seitenwindbedingungen arbeiten, besteht jedoch eine Neigung zum Auftreten von Störungen des Luftstroras. Diese Störung kann auch bei Unterschallflugzeugen auftreten, bei denen sich ein Triebwerk in einer solchen Stellung befindet, daß seine Achse nicht mit der Einlaßachse übereinstimmt, beispielsweise bei manchen Heckeinbauten, bei denen der Einlaßkanal eine S-Form besitzen muß.

Unter den vorgenannten Verhältnissen ist die auftretende Druckungleichf örmigkeit im allgemeinen ain größten in Richtung des Vorderteils des Triebwerkes und schwächt sich mit der Rückwärtsbewegung der Luft durch das Triebwerk ab. Es ist jedoch nicht ungewöhnlich, beträchtliehe Druckschwankungen bis zurück zum Brenner anzutreffen.

Um Druckluft für den Betrieb von Hilfsgeräten für das Triebwerk zu erhalten/ beispielsweise für Klimatisierung, Enteisung, Triebwerkskühlung usw., ist es allgemein üblich, eine Verdichtergehäusestruktur vorzusehen, welche das Abzweigen von Hochdruckluft vom Verdichter zu einem Niederdrucksammelraum gestattet. Vorzugsweise wird diese Abzweigung von Zwischenstufenluft durch Mittel erreicht, die eine minimale Störung des normalen Verlaufs des Luftstroms im Verdichter ergeben. Da jedoch der Verteilerkopf eine Strömungsmittelverbindung zwischen Bereichen mit hohem Druck und Bereichen

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mit niedrigem Druck ergibt, ist es möglich, daß die Luft von einer Seite des Triebwerkes zur anderen Seite desselben durch den Verteilerkopf strömen kann. Dies gilt besonders bei solchen Flugzuständen, bei denen nur geringe Mengen von Luft aus dem Triebwerk abgezweigt werden. Diese Strömungsinittelverbindung der Luft von einer Seite des Triebwerks zur anderen neigt dazu, das normale Verlaufsmuster im Verdichter zu verändern oder eine solche Ungleichförmigkeit weiter zu steigern, welche durch irgendeine der vorstehend erörterten Verhältnisse bewirkt wurde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Abzweigen von Luft aus einem Triebwerk zu schaffen, die unter einer Vielzahl von Verhältnissen mit ungleichförmigem Druck in einer solchen Weise arbeiten muß, daß sich ein Mindestmaß an Verlust von Wirkungsgrad des Kompressors und Verlust des Sicherheitsspielraums gegen Abdrosseln ergibt.

Zusammengefaßt, werden gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Vielzahl von Sperrventilen an umkreisförmig beabstandeten Stellen in dem Auslaßverteiler des Zwischenstufen-Abzweigsystems des Verdichters einer Gasturbine angeordnet. Wenn der Luftstrom durch den Verdichter relativ ungestört ist, dann ist der Druck der Luft, die in Strömungsmittelverbindung mit dem Auslaßverteiler steht, praktisch gleichförmig um den gesamten Umfang des Triebwerkes^ und alle Sperrventile öffnen sich gleichförmig, um die Luft in einem abgeglichenen Verteilungsmuster um das Triebwerk herum abzulassen und auf diese Weise den Luftstrom im Innern des Brenners nicht zu stören. Wenn jedoch der Luftstrom im Verdichter durch irgendeine der vorstehend erörterten an sich bekannten Verhältnisse gestört ist, dann wird ein Ungleichgewicht der Luftdrucke um den Umfang des Triebwerkes herum bestehen, wenn die Luft den Auslaßverteiler erreicht. Anstatt nun zu gestatten, daß

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die Verdichterluft in den Hochdruckbereichen durch den Verteiler zu den niedrigeren Druckbereichen des Verdichters strömt, öffnen sich die Ventile in der Umgebung der Hochdruckbereiche und gestatten ein Abzweigen der Luf t_; und andererseits bleiben die Sperrventile in den Bereichen mit niedrigerem Druck geschlossen und gestatten auf diese Weise nicht einen Druchtritt der Luft durch den Verteiler in beiden Richtungen. Das Ergebnis ist, daß der Verteiler keine weitere Verzerrung des Verlaufs des Luftstroms durch Rückstrom von Luft vom Verteiler in den Verdichter bewirkt und stattdessen dazu neigt, die Luftdruckschwankungen um den Umfang des Triebwerkes dadurch zu vermindern, daß Luft abgezweigt wird»

Die Figur 1 zeigt einen Längsteilschnitt durch einen Gasturbinenverdichter und einen zugeordneten Abzweigverteiler gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Verteilerteils mit eingebauten Sperrventilen gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die Figuren 3, 4 und 5 sind Teilschnittansichten des Abzweigsystems entlang den Linien 3-3, 4-4 und 5-5 der Figur

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 1, welche bei 10 allgemein den Verdichter zeigt. Dieser umfaßt einen Rotor oder Läufer 11, um den herum konzentrisch ein Innengehäuse 12 des Verdichters und ein Außengehäuse 13 angeordnet sind. Das Innengehäuse 12 umfaßt ein Paar von halbzylindrischen Wänden 14, die an der Trennlinie des inneren Gehäuses durch aufeinanderpassende Flansche 16 verbunden sind (Figur 5). In den Wänden 14 sind eine Vielzahl von Statortragteilen 17 angeordnet, die jeweils eine Stufe von Statorschaufeln 18

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halten. Zwischen benachbarten Statorschaufelstufen ist eine Stufe von Verdichter- oder Rotorlaufschaufeln 19 angeordnet, die in konventioneller Weise an dem Rotor befestigt sind und von ihm gedreht werden zur Verdichtung der Luft, welche in den Lufteinlaßbereich 21 eintritt und durch einen Verdichterauslaßlei tring 22, einen Diffusorkanal 23 und von dort zu einem nicht gezeigten Verdichter in konventioneller Weise abgegeben wird, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 777 489 gezeigt und beschrieben wird.

Den Diffusorkanal 23 bilden eine Innenwand 24 und eine Außenwand 26 des Diffusors, die zusammen ein integrales Gußstück mit dem Ring der Verdichterauslaßleitschaufeln 22 bilden. Die Außenwand 26 des Diffusors begrenzt teilweise einen ringförmigen Sammelraum 27, der die abgezweigte Luft von der letzten Stufe des Verdichters durch eine öffnung 27 a erhält. Der Sammelraum 27 ist weiterhin begrenzt durch einen Tragkonus 28, welcher an dem Innengehäuse 12 des Verdichters mit Hilfe von Schrauben 29 befestigt ist. An dem Tragkonus befestigt und von ihm gehaltert ist ein Rohr 31, das in Strömungsmittelverbindung mit dem Sammelraum 27 steht, um die Abzweigluft zu verschiedenen Stellen im Luftfahrzeug zu leiten, um in konventioneller Weise Hilfsausrüstungen zu betreiben.

Zusätzlich zu dem System zur Abzweigung von Verdichterluft gemäß der vorstehenden Beschreibung wird allgemein noch ein Abzweigsystem eingebaut, um Luft aus dem Verdichterkanal an einem Punkt in der Umgebung eine Zwischenstufe des Verdichters abzuziehen. Dieses Zwischenstufen-Abzweigsystem, wie es allgemein bezeichnet wird, ist dazu ausgelegt, einen ringförmigen Sammelraum 32 unter Druck zu setzen, der teilweise durch das innere und äußere Gehäuse 12 bzw. 13

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des Verdichters begrenzt ist. Die verdichtete Luft in dem kreisringförmigen Sammelraum fließt dann stromabwärts, wobei ein Teil in der durch den gestrichelten Pfeil bezeichneten Richtung strömt, um das äußere Gehäuse des Brenners und Statorkomponenten der stromabwärts gelegenen Turbine zu kühlen, und ein Teil durch den Kanal 33 strömt, um in verschiedenen Hilfseinrichtungen im Luftfahrzeug verwendet zu werden, wie dies in der zuvor genannten US-Patentschrift 3 777 489 gezeigt und beschrieben ist.

Die Hochdruckkammer des Verdichters und der Niederdruckring sammelraum 32 sind strömungsmäßig untereinander verbunden durch die Reihenanordnung des Düsenrings 34, des Luftabzweigverteilers 36 und eine Vielzahl von Sperrventilen 37. Der Düsenring 34 umschließt den Verdichter an einer Zwischenstufe desselben und enthält eine Vielzahl von Kanälen 38, die radial durch denselben verlaufen und eine Strömungsmittelverbindung an einem Ende mit der Hochdruckkammer des Verdichters und am anderen Ende mit dem Verteiler 36 bilden. Anliegend an der stromabwärts gelegenen Seite des kreisförmigen Ringes ist der Verteiler 36, der zusammen mit dem Düsenring 34 durch eine Vielzahl von Schrauben an seinem Platz gehalten wird, welche diese Teile starr mit dem Außengehäuse 13 des Verdichters verbinden. Eine Vielzahl von Vertiefungen 40 am stromaufwärts gelegenen Ende des Verteilers 36 bilden zusammen mit der äußeren Oberfläche des Düsenrings 34 eine Vielzahl von am Umfang beabstandet befindlichen Hohlräumen 41, in welche die abgezweigte Luft durch die Leitungen 38 austritt. Die einzelnen Hohlräume stehen dann in Strömungsmitte!verbindung mit zugeordneten Strömungskammern 42 im Innern des Verteilers zur Zuführung der Luft zu dem Sperrventil 37. Es ist zu erwähnen, daß der Verteiler 36 die Form eines einzigen Kreisrings mit einer

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Vielzahl von umfangsmäßig beabstandeten, darin ausgebildeten Strömung3kammern 42 besitzen kann oder aus halbkreisförmigen Abschnitten bestehen kann, welche durch Flansche und Bolzen ähnlich wie die innere Gehäusewand 14 verbunden sind, wie dies in Figur 5 gezeigt ist. Weiterhin kann er eine Vielzahl von Abschnitten besitzen, die umkreisförmig beabstandet sind und durch Flansche und Schrauben so miteinander verbunden sind, daß sie das gesamte Triebwerk umschließen. In ähnlicher Weise kann der Düsenring 34 aus einem einzigen umschließenden Ring,einem Paar von halbkreisförmigen Ringen oder einer Vielzahl von Bogenabschnitten bestehen, welche dann zur Bildung eines vollständigen Rings untereinander verbunden sind.

An jeder Strömungskammer des Verteilers J>6 ist ein Sperrventil angeschlossen, das eine Verlängerung des Verteilers an diesem Punkt bildet und selektiv eine Strömungsmittelverbindung von der jeweiligen Strömungskammer zum kreisringförmigen Sammelraum 32 herstellt. Das Sperrventil 37 ist vorzugsweise zylindrisch und kann an dem Verteiler durch Schraubgewinde befestigt sein, wie dies in Figur 2 gezeigt ist. Seine innere Wand 43 definiert einen Strömungsweg 44, der unmittelbar in Strömungsmittelverbindung mit der Strömungskammer 42 steht und eine Verlängerung derselben bildet. Das Sperrventil 37 besitzt konventionellen Aufbau und umfaßt eine abgestufte zylindrische Wand 46, bei welcher der Innendurchmesser d^ für den Auslaß größer ist als der Innendurchmesser dp für den Einlaß. Die Wand 46 besitzt eine Vielzahl von Nuten 50 (Figuren 1 und 5), die einen Durchtritt der Luft zu dem Sammelraum 32 gestatten, wenn das Ventil geöffnet ist. Im Auslaßende der Struktur ist eine ringförmige Platte 47 angeordnet, deren Durchmesser kleiner als d₁ und größer als dp ist. Die Platte kann sich axial frei in dem Innendurchmesser d^ bewegen und daher mit verschiedenem Grad das Ventil schließen oder öffnen. In der geschlossenen Stellung befindet sich die Platte in der Stellung ganz linke, wie in Figur 2 gezeigt, und liegt dann gegen einen kreisringförmigen Ansatz 48 und verhindert den Durchtritt von Luft durch das Ventil in beiden Richtungen. Wenn das Ventil in die geöffnete Stellung bewegt wird, wie dies beim Ein-

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treten von llochdruckluft in die Kammer k2 geschieht, dann wird eich die Platte in der Stellung ganz rechts befinden, wie dies durch die gestrichelte Linie in Figur 2 gezeigt wird. Wenn sich das Ventil in dieser Stellung befindet, dann kann die Luft in die Kammer durchtreten, welche durch den Innendurchmesser d^ begrenzt ist, und durch die Nuten 50 in den umschließenden Sammelraum 32 austreten, wie dies durch die Pfeile nach Figur 1 gezeigt ist. Die Platte *J7 wird in dem Innendurchmesserabteil durch den Deckel 49 gehalten, der am Auslaßende des Ventils durch eine Anordnung mit Nut und Keil oder dergleichen gehalten ist.

Im Betrieb werden die Sperrventile im Verteiler wie folgt arbeiten. Wenn das Verlaufsmuster des Luftstroms des Verdichters in der Umgebung des Verteilers praktisch gleichförmig um den gesamten Triebwerksumfang ist, dann werden alle Sperrventile zur öffnung zu etwa dem gleichen Ausmaß veranlaßt werden, und die Luft wird gleichförmig um den Umfang des Verdichters herum abgezweigt, so daß der Luftstrom im Innern des Verdichters praktisch nicht gestört wird. Wenn bereits eine Störung aufgetreten ist, beispielsweise durch einen besonderen Zustand am Einlaß, und als eine Folge die Ver.dichterdrUcke an der Verdichterseite des Verteilers nicht um das ganze Triebwerk herum gleichförmig sind, dann werden diejenigen Sperrventile geöffnet zur Abzweigung von Luft in den Sammelraum 32, welche dem höheren Druck des Verdichters ausgesetzt sind. Diese Luft mit höherem Druck wird dann über den Verteiler strömen und auf die äußere Seite der Sperrventile wirken, welche in Bereichen mit niedrigerem Verdichterdruck befindlich sind, um sie zu schließen und daran zu hindern, Luft in dieser Umgebung abzuzweigen. Das Ergebnis für den Verdichter besteht darin, daß die höheren Drucke durch das Abzweigen verringert werden und die niedrigen Drucke praktisch gleich bleiben, so daß eine größere Gleichförmigkeit des Druckes um den Umfang des Triebwerkes herum herbeigeführt wird.

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Claims

- ⁹ - Zb47229

Patentansprüche

{' l.i Verbesserte Luftabzweig anordnung einer Turbomaschine des

Typs mit einem Hochdruckabteil, einem Niederdruckabteil und einem Verteiler zur Leitung der Luft zwischen denselben, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

einen Verteiler (36) mit einer Vielzahl von Kanälen (42), die in demselben ausgebildet sind zur Leitung des Luftstroms vom Hochdruckabteil zum Niederdruckabteil (32), und ein Sperrventil (37) in jedem der Kanäle (42), wobei die Ventile (37) so aufgebaut sind, daß sie den Luftstrom nur vom Hochdruckabteil zum Niederdruckabteil gestatten.
2. Verbesserte Luftabzweiganordnung einer Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckabteil in Strömungsmittelverbindung mit einem Verdichter steht, der die Luft entlang seiner Achse in Richtung einee Triebwerkbrenners bewegt.
3. Verbesserte Luftabzweigeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kanäle (42) praktisch parallel zur Achse des Verdichters sind.
4. Verbesserte Luftabzweigeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (36) einen Kreisring umfaßt.
5. Verbessertes Luftabzweigsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es noch einen kreisringförmigen Düsenring (34) zwischen dem Hochdruckabteil und dem Verteiler (36) besitzt, wobei der Düsenring eine Vielzahl von Düsenkanälen (38) besitzt zur Leitung dea Luftstroms zu den Sperrventilen (37).

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6. Verbesserte Luftabzweigeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Düsen (38) so angeordnet sind, daß ihre Achsen einen spitzen Winkel mit den Achsen der Kanäle (42) bilden.

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