DE2547229C2 - Luftabzweigeinrichtung für einen Axialverdichter eines Gasturbinentriebwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Luftabzweigeinrichtung für einen Axialverdichter eines Gasturbinentriebwerks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Luftabzweigeinrichtung ist in der DE-OS 20 31 612 beschrieben.

In einem Gasturbinentriebwerk strömt die Luft von einem Einlaß zum Verdichter u-H von da zu einer Brennkammer. Es ist erwünscht, daß die thermodynamischen 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 somit zu einem geringeren Wirkungsgrad und zu einer verminderten Strömungsabrißgrenze zu führen. Flugzeug-Triebwerke mit Unterschallgeschwindigkeit besitzen im normalen Flug mit normalem Einlaß allgemein gleichförmige Einlaßverhältnisse, und daher tritt nur eine geringe Ungleichförmigkeit in dem Verlauf des Luftstroms auf. Im Falle von Überschalltriebwerken, die hinter Überschalleinlässen fliegen, oder Unterschalltriebwerken, welche unter Seitenwindbedingungen arbeiten, besteht jedoch eine Neigung zum Auftreten von Störungen des Luftstroms. 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 Druckungleichförmigkeit im allgemeinen am größten in Richtung des Vorderteils des Triebwerkes und schwächt sich mit der Bewegung der Luft nach hinten durch das Triebwerk ab. Es ist jedoch nicht ungewöhnlich, beträchtliche 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, ein Verdichtergehäuse vorzusehen, daß ein 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 mit niedrigem Druck ergibt, ist es möglich, daß die Luft von einer Seite des Triebwerkes zur anderen Seite desselben durch den Verteilerkopf strömen karn. Dies

ίο gilt besonders bei solchen Flugzuständen, bei denen nur geringe Luftmengen aus dem Triebwerk abgezweigt werden. Diese Strömungsmittelverbindung der Luft von einer Triebwerksseite zur anderen neigt dazu, das normale Verlaufsmuster im Verdichter zu verändern oder eine Ungleichförmigkeit weiter zu steigern, welche üurch irgendeine der vorstehend erörterten Verhältnisse bewirkt wurde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Luftabzweigeinrichtung der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß auch bei vielen verschiedenen Druckverhältnissen höchstens eine geringe Verringerung des Wirkungsgrades des Kompressors und der Strömungsabrißgrenze auftritt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auftretende Luftdruckschwankungen ausgeglichen werden. 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 Ventile 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 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 Luft, und andererseits bleiben die Venti-Ie in den Bereichen mit niedrigerem Druck geschlossen und gestatten keinen Durchtritt von Luft durch den Verteiler in beiden Richtungen. Das Ergebnis ist, daß der Vei teiler keine weitere Verzerrung des Verlaufs des Luftstroms durch Rückstrom von Luft vom Verteiler in den Verdichter zuläßt und stattdessen dazu neigt, die Luftdruckschwankungen um den Umfang des Triebwerkes auszugleichen, indem Luft nur in Umfangsbereichen mit höheren Drücken abgezweigt wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausfiihrungsbeispielen näher erläutert.

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

F i g. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Verteilerteils mit eingebauten Sperrventilen gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 3,4 und 5 sind Teilschnittansichten des Abzweig-

systems entlang den Linien 3-3,4-4 und 5-5 der F i g. 1.

F i g. 1 zeigt einen Verdichter 10 mit einem 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 (F i g. 5). In den Wänden 14 sind mehrere Statortrageteile 17 angeordnet, die jeweils eine Stufe von Statorschaufeln 18 halten. Zwischen benachbarten Statorschaufelstufen ist eine Stufe von Verdichter- oder Rotorlaufschaufeln 19 angeordnet, die Luft verdichten, welche in den Lufteinlaßbereich 21 eintritt und durch Einlaßleitschaufeln 22, einen Diffusorkanal 23 und von dort zu einem nicht gezeigten Brenner in Obü- is eher Weise abgegeben wird.

Den Diffusorkanal 23 bilden eine Innenwand 24 und eine Außenwand 26 des Diffusors, die zusammen ein integrales Gußstück mit dem Ring der Verdichterauslaßieitschaufeln 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 27a 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 Lufxfahrzeug zu leiten, um in üblicher Weise Hilfsgeräte zu betreiben.

Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Abzweigung von Verdichterluft 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 des Verdichters begrenzt ist. Die verdichtete Luft in dem ringförmigen Sammelraum 32 strömt dann stromabwärts, wobei ein Teil in der durch den gestrichelten Pfeil bezeichnete» 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 Flugzeug verwendet zu werden.

Die Hochdruckkammer des Verdichters und der Niederdruck-Sammelraum 32 sind strömungsmäßig untereinander verbunden durch eine einen Gehäusering bildende Reihenanordnung eines Düsenrings 34, eines Luftabzweigverteilers 36 und mehrerer Rückschlagventile 37. Der Düsenring 34 umschließt den Verdichter an einer Zwischenstufe desselben und enthält mehrere Kanäle 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. An der stromabwärtigen Seite des Düsenringes 34 liegt der Verteiler 36 an, der zusammen mit dem Düsenring 34 durch mehrere Schrauben 39 in seiner Lage gehalten wird, welche diese Teile starr mit dem Außengehäuse 13 des Verdichters verbinden. Mehrere Vertiefungen 40 am stromaufwärtigen Ende des Verteilers 36 bilden zusammen mit der äußeren Oberfläche des Düsenrings 34 mehrere am Umfang beabstandete Hohlräume 41, in welche die abgezweigte Luft durch die Kanäle 38 austritt. Die einzelnen Hohlräume 41 stehen dann in Strömungsmittelverbindung mit zugeordneten Strömungskammern 42 im Innern des Verteilers zur Zuführung der Luft zum Rückschlagventil 37. Der Verteiler 36 kann die Form eines einzigen Kreisrings mit mehreren auf dem Umfang beabstandeten, darin ausgebildeten Strömungskammem 42 besitzen oder er kann aus halbkreisförmigen Abschnitten bestehen, welche durch Flansche und Bolzen ähnlich wie die innere Gehäusewand 14 verbunden sind, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. Weiterhin kann er mehrere Abschnitte besitzen, die auf dem Umfang beabstandet 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 mehreren Bogenabschnitten bestehen, welche dann zur Bildung eines vollständigen Rings untereinander verbunden sind.

An jeder Strömungskammer ist mit dem Verteiler 36 ein Rückschlagventil 37 verbunden, das eine Verlängerung des Verteilers an diesem Punk·, bildet und selektiv eine Strömungsmittelverbindung von der jeweiligen Strömungskammer zum kreisringförmigen Sammelraum 32 herstellt Das Rückschlagventil 37 ist vorzugsweise zylindrisch und kann an dem Verteiler angeschraur.·-' sein, wie dies in F i g. 2 gezeigt ist. Seine innere Wand 43 bildet einen Strömungsweg 44, der unmittelbar in Strömungsmittelverbindung mit der Strömungskammer 42 steht und eine Verlängerung derselben bildet. Das Rückschlagventil 37 besitzt einen üblichen Aufbau und weist eine abgestufte zylindrische Wand 46 auf, bei welcher der Innendurchmesser d\ für den Auslaß größer ist als der Innendurchmesser efe für den Einlaß. Die Wand 46 besitzt mehrere Nuten 50 (Fi g. 1 und 5), die einen Durchtritt von Luft zum Sammelraum 32 gestatten, wenn das Ventil geöffnet ist. Im Ventil 37 ist eine ringförmige Platte 47 angeordnet, deren Durchmesser kleiner als d\ und größer als di ist. Die Platte 47 kann sich axial frei in dem Innendurchmesser d\ bewegen und daher das Ventil 37 unterschiedlich weit schließen oder öffnen. In der geschlossenen Stellung befindet sich die Platte in der Stellung ganz links, wie in Fig. 2 gezeigt, und liegt dann gegen einen kreisringförmigen Ansatz 48 an und verhindert den Durchtritt von Luft durch das Ventil 37 in beiden Richtungen. Wenn das Ventil 37 in die geöffnete Stellung bewegt wird, wie dies beim Eintreten von Hochdruckluft in die Kammer 42 geschieht, dann wird sich die Platte 47 in der Stellung ganz rechts befinden, wie dies durch die gestrichelte Linie in F i g. 2 gezeigt ist. In dieser Ventilstellung kann die Luft in die Kammer strömen, welche durch den Innendurchmesser d\ begrenzt ist, und durch die Nuten 50 in den umschließenden Sammelraum 3? austreten, wie dies durch die Pfeile nitch F i g. 1 gezeigt ist. Die Platte 47 wird in dem Innendurchmesserabteil durch den Deckel 49 gehalten, der am Auslaßendt des Ventils durch eine Anordnung mit Nut und Keil oder dergleichen gehalten ist.

Im Betrieb arbeiten die Rückschlagventile im Verteiler wie folgt. Wenn der Luftstrom des Verdichters in der Umgebung des Verteilers praktisch gleichförmig um den gesamten Triebwerksumfang verteil ist, dann sind alle Rückschlagventile 37 etwa gleich geöffnet bzw. geschlossen, 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 Verdichterdrücke an der Ver-

dichterseite des Verteilers nicht um das ganze Trieb werk herum gleichförmig sind, dann werden diejenigen Rückschlagventile geöffnet zur Abzweigung von Luft in den .Sammelraum 32, welche dem höheren Verdichterdruck ausgesetzt sind. Diese Luft mit höheren Druck strömt dann durch den Verteiler und wirkt auf die äußere Seite der Rückschlagventile, 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 Drücke durch das Abzweigen verringert v/erden und die niedrigen Drücke praktisch gleich bleiben, so daß eine größere Gleichförmigkeit des Druckes um den Umfang des Triebwerkes herum herbeigeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Luftabzweigeinrichtung für den Axialverdichter eines Gasturbinentriebwerks, mit einem den Strömungskanal umgebenden Gehäusering, in dem eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet sind, die Druckluft unter spitzem Winkel aus dem Strömungskanal abzweigen und einem den Strömungskanal umgebenden Ringraum zuführen, dadurch gekennzeichne t, daß jeder Kanal (38,42,44) des Gehäu-

, serings (bei 34, 36) mit einem Rückschlagventil (37) versehen ist.

2. Luftabzweigeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusering von einem am Strömungskanal angrenzenden Düsenring (34) und einem stromabwärts davon angeordneten Verteiler (36) gebildet ist, dessen Kanal (42) im wesentlichen parallel zur Verdichterachse verläuft.

3. Luftabzweigeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rückschlagventil (37) in den Verteiler (36) geschraubt ist.