DE3333437A1

DE3333437A1 - Einrichtung zur verdichterregelung von gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE3333437A1
Application number: DE19833333437
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8060 Dachau Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1983-09-16
Filing date: 1983-09-16
Publication date: 1985-04-11

Description

Einrichtung zur Verdichterregelung von
Gasturbinentriebwerken Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verdichterregelung von Gasturbinentriebwerken, insbesondere Wellen- oder Strahltriebwerken für Flugzeuge, durch Verdichterleitschaufelverstellung-und/oder Verdichterluftabblasung.
Luftfahrtgasturbinen sind üblicherweise mit einer Vorrichtung zur Enteisung des Triebwerkseinlaufs ausgestattet.
Dabei ist es bei-Gasturbinenstrahltriebwerken kleiner und mittlerer Leistung üblich, entweder nur die Rippen des Einlaufsterns mittels Schmierstoff durch entsprechend gestaltete Zu- und Abfluß leitungen kontinuierlich durchströmen zu lassen oder aber die Außenschale des Einlaufsterns doppelwandig auszubilden und den Zwischenraum zwischen der dem Hauptströmungskanal zugewandten und der äußeren Schale als Schmierstofftank auszubilden. Bei beiden Bauweisen werden das Einlaufgehäuse oder Teile desselben kontinuierlich aufgeheizt. Dies hat zur Folge, daß die Luft vor Eintritt in den Verdichter kontinuierlich über den gesamten Betriebszustand aufgeheizt wird. Dies wiederum bedeutet eine höhere - innere - Leistung zum Antrieb des Verdichters und folglich eine verringerte verfügbare Leistung an der Turbine.
Neben den genannten Ausführungen sind insbesondere bei Triebwerken größerer Leistungen teils kontinuierlich, teils diskontinuierlich arbeitende Vorrichtungen zur Enteisung des Triebwerkseinlaufs bekannt, die auf der Basis der Aufheizung vereisungsgefährdeter Zonen mittels heißer Luft vom hinteren Ende des Verdichters oder auch mittels elektrischer Energie arbeiten.
Luftfahrtgasturbinen, insbesondere solche mit einwelligem Gasgenerator, sind weiterhin mit einer Vorrichtung zur Durchsatzregelung im tiefen Tellastbereich ausgestattet.
Letztere basiert entweder auf dem Prinzip einer im bestimmten Betriebsbereichen aktivierbaren - also dikontinuierlichen - Abblasung eines Teiles des Durchsatzes hinter einer Verdichterstufe im mittleren Druckbereich oder der Verstellbarkeit eines Teils der Leitgitter, insbesondere in den vorderen Stufengruppen, oder einer Kombination beider Verfahrensweisen.
Ein weiterer Nachteil bekannter Triebwerkskonzepte wird darin gesehen, daß die zu Regelungszwecken abgeblasene Luftmenge üblicherweise über Bord des Triebwerks abgeleitet wird, was, um lokale Aufheizungen an der Triebwerksperipherie oder im Triebwerksschacht zu vermeiden, wärmeresistente Rohrleitungen sowie Wärmeisolationen und damit einen nicht unerheblichen zusätzlichen Bauaufwand erzwingt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die bei extrem niedrigem Bauaufwand eine optimale Verdichterregelung und -einlaufenteisung gewährleisten soll, ohne dabei nennenswerte Störungen im Verdichterkennfeld sowie Leistungseinbußen in Kauf nehmen zu müssen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1.
Der angegebenen Lösung liegt die Überlegung zugrunde, daß die Menge der zu Verdichterregelungszwecken abzublasenden Luft mit wachsender Drehzahl sinkt, wobei diese Luftmenge, insbesondere bei Verdichtern mit einer kombinierten Abblaseplus Leitgitterregelung, bereits im Bereich der Leerlaufdrehzahl zu Null wird. In diesem Drehzahlbereich ist die Luft erst vergleichsweise wenig erwärmt, so daß bei einer Wiedereinspeisung der zur Regelung des Verdichters abgeblasenen Menge in den Hauptstrom vor dem Verdichter die durch Mischung entstehende neue Einlauftemperatur nur unbedeutend über die Umgebungstemperatur ansteigen würde und die damit verbundenen Kennfeldeigenschaften des Verdichters kaum nachteilug betroffen würden. Andererseits ist die abzublasende Verdichterluft an der Entnahmestelle infolge des vorausgegangenen Verdichtungsprozesses wiederum genug erwärmt, um die Enteisungsaufgaben erfüllen zu können.
Mit der angegebenen Lösung sind u.a. die folgenden wesentlichen Vorteile erreichbar: - Ein einziges mechanisches System zur ERfüllung der Funktionen Einlaufenteisung und Verdichterregelung, dadurch deutliche Reduzierung des Bauaufwands bei gleichzeitig erhöhter Betriebssicherheit; - größerer Pumpgrenzenabstand im Anfahrzustand (Drehzahlbereich Null bis etwa Leerlaufdrehzahl); - Reduzierung der Anzahl verstellbarer Leitgitter gegenüber einem Triebwerk mit rein leitschaufelgeregeltem Verdichter; - keine Abluft oder bei rein abblasegeregelten Verdichtern deutlich verringerte Abluftmenge, die aus dem Triebwerk über Bord geleitet werden müßte, und zwar zugunsten eines verminderten Bauaufwands bei der Zellenerstellung durch Fortfall bzw. erhebliche Reduzierung des Leitungs- bzw. deren Isolieraufwands.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 10.
Anhand der Patent zeichnung ist die Erfindung beispielsweise erläutert, und zwar in Form eines schematisch wiedergegebenen, einwelligen, rein axial durchströmten Gasturbinenstrahltriebwerks für Flugzeuge mittlerer Leistungsklasse, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich die obere Triebwerkshälfte entlang der Triebwerksachse axial aufgeschnitten dargestellt ist. Das Gasturbinenstrahltriebwerk gemäß der Patentzeichnung weist einen beispielsweise dreistufig ausgebildeten Axialverdichter 1 auf, dem eine koaxial zur Triebwerksachse angeordnete Ringbrennkammer 2 nachgeschaltet ist, aus der die Verbrennungsgase einer hier beispielsweise zweistufig ausgeführten, axial durchströmten Verdichterantriebsturbine 3 zuführbar sind, deren Abgasstrom über ein Strahlrohr 3' mit Schubdüse S zur Vortriebsschuberzeugung gegen die Atmosphäre abströmt. Das Enteisungssystem 4 des Triebwerks besteht u.a. aus einem hier lediglich schematisiert wiedergegebenen, in das Triebwerkseinlaufgehäuse integrierten, koaxial zur Triebwerksachse angeordneten Ringkanal 5, wobei mehrere gleichförmig in Umfangsrichtung beabstandete, den Triebwerkseinlauf radial durchsetzende Stützstreben 6 vorgesehen sind. Die Stützstreben 6 sind als aerodynamisch optimal geformte Hohlkörper ausgebildet, deren innere Kanäle 7 mit der zuvor genannten Ringkammer 5 in Verbindung stehen. Die Kanäle 7 sind ihrerseits mit im Bereich der Hinterkante ausmündenden Abströmkanälen 8 in den Stützstreben 6 so verbunden, daß die im Betrieb, und zwar im tiefen Teillastbereich des Triebwerks abzublasende Verdichterluft stromauf der ersten Stufe des Verdichters 1 der vom Verdichter 1 angesaugten Umgebungsluft zugemischt werden kann. Der in das Triebwerkseinlaufgehäuse integrierte Ringkanal 5 stellt somit in Verbindung mit der einströmseitigen Einlaufgehäusewand einen Wärmetauscher dar, und zwar zwischen der in das Triebwerk einströmenden Umgebungsluft auf der einen Seite und der dem Ringkanal 5 zuführbaren erwärmten Abblaseluft auf der anderen Seite.
Um die im tiefen Teillastbereich vorzunehmende Enteisung und Verdichterregelung durchführen zu können, kann ein einziges Ventil 9 vorgesehen sein, welches über einen Strang der Druckluftleitung 12 stets an eine triebwerksgehäuseseitig eingeschlossene Luftkammer 11 angeschlossen ist. Diese Luftkammer 11 wird über einen koaxial zur Triebwerksachse angeordneten Luftabblaseschlitz 11', der in der äußeren Gehäusewand des Axialverdichters 1 angeordnet ist, stets mittels am Verdichterende entnommener erwärmter Hochdruckluft beaufschlagt. Sobald das zuvor genannte Ventil 9 geöffnet ist, wird somit die abgeblasene Verdichterluft aus dem Ventil 9 über den übrigen Strang der Druckluftleitung 12 zunächst dem einlaufseitigen Ringkanal 5 zugeführt, aus dem die Abblaseluft dann über die in den Stützstreben 6 enthaltenen Kanäle 7 und die mit den letzteren kommunizierenden Abströmkanäle 8 dem Triebwerk stromauf der ersten Verdichterstufe zuführbar ist.
Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Verdichterregelung durch eine Kombination aus Verdichterluftabblasung auf der einen Seite sowie Verdichterleitschaufelverstellung auf der anderen Seite vorgenommen werden. Beispielsweise sind beim vorliegenden Triebwerk die erste und die zweite Verdichterstufe mit verstellbaren Leitgittern 13 bzw. 14 ausgestattet. Im Rahmen der Erfindung ist es durchaus möglich, anstelle dieser zuvor erwähnten kombinierten Verdichterregelung aus Leitschaufelverstellung und Verdichterluftabblasung die Verdichterregelung ausschließlich durch Luftabblasung an einer oder mehreren Stellen des Verdichters vorzunehmen.
In der Zeichnung nicht dargestellt, wäre es durchaus vorstellbar, den Erfindungsgegenstand auch so zu realisieren, daß unmittelbar an der betreffenden Luftentnahmestelle des Verdichters ein geeignetes Klappen- oder Drehschieberventil anzuordnen wäre, mit der Folge, daß das dem Entnahmeschlitz unmittelbar zugeordnete, den letzteren wahlweise öffnende oder absperrende Ventil nur in der geöffneten Stellung eine Luftbeaufschlagung der nachgeschalteten Kammer herbeiführt, so daß diese betreffende Kammer dann stets über eine nicht unterbrochene Druckluftleitung an den Ringkanal des Triebwerkseinlaufs zur Enteisung anzuschließen wäre.
Die Patent zeichnung verdeutlicht ferner ein schematisiert wiedergegebenes Triebwerksregelsystem, bei dem der Leistungshebel bzw. dessen Verstellgeschwindigkeit durch einen Kasten 14repräsentiert wird, dessen Stellungssignal 15 in eine elektronisch arbeitende Regeleinrichtung (Kasten 16) eingespeist wird. Mittels dieser elektronischen Regeleinrichtung 16 sind verschiedene Triebwerksvariable im Interesse eines optimalen Triebwerksbetriebs steuerbar. Der Signalfluß 17 verdeutlicht einen oder mehrere Triebwerksleistungsparameter, bei denen es sich um Drücke, Temperaturen oder um Kombinationen handeln kann und welche als Ist-Werttin Kasten 16 einspeisbar sind. Bei diesen für den Signalfluß 17 re- präsentativen Triebwerksparametern kann es sich z.B.
also um die Drehzahl, die Verdichtereintrittstemperatur, den Verdichterenddruck sowie gegebenenfalls um den Druck im Strahlrohr 3' hinter der Verdichterantriebsturbine 3 handeln. Die Kästen 18, 19 und 20 repräsentieren schematisch der Reihe nach eine Verdichterleitschaufelverstellsteuerung, eine Abblasesteuerung sowie eine Hauptbrennstoffsteuerung, die gemäß den Signalflüssen 21, 22 und 23 aus Kasten 16 in die betreffenden Kästen 18, 19 und 20 betätigbar sind. Aus einem in den Zeichnungen nicht weiter dargestellten Brennstofftank wird der Hauptbrennstoff der Ringbrennkammer 2 über die Leitung 24 zugemessen, beispielsweise in Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl, die als einer der zuvor genannten Parameter gemäß Signalfluß 17 in die elektronische Regeleinrichtung (Kasten 16) einspeisbar ist.
Die zuvor genannte elektronische Regeleinrichtung 16 sorgt ferner dafür, daß u.a. als Resultat von Abweichungen der Triebwerksparameter (Ist-Wert vom Soll-Wert) im vorliegenden Fall also sowohl das Ventil 9 als auch der betreffende Leitschaufelverstellmechanismus 25 so angesteuert werden können, daß einem im kritischen tiefen Teillastbereich sich ankündigenden, aus einem instabilen Verdichterkennfeld herrührende Verdichtpumpen rechtzeitig begegnet werden kann.
Dabei sind in der Patentzeichnung nicht weiter dargestellte Rückführungsglieder vorgesehen, die z.B. das von der Abblasesteuerung 19 empfangene Signal 22 gegebenenfalls hydro-mechanisch umwandeln, um das Ventil 9 stets beim Durchfahren des kritischen tiefen Teillastbereichs öffnen, und damit die gewünschte Verdichterluftabblasung und Enteisung des Triebwerkseinlaufs herbeiführen zu können.
Für die Leitschaufelverstellung des Verdichters 1 gilt sinngemäß, daß das hierbei aus Kasten 16 in Kasten 18 eingespeiste Signal 21 durch geeignete Rückführungsglieder z.B. hydromechanisch umgewandelt wird, um den Leitschaufelverstellmechanismus 25 betätigen zu können. Mit 26 ist in der Patentzeichnung ein Enteisunosdetektor bezeichnet, dessen Signal 27 in die elektronische Regeleinrichtung (Kasten 16) einspeisbar ist, so daß eine sich ankündigende Vereisung des Triebwerkseinlaufs sofort dem Regelsystem gemeldet, und damit eine Einlaufvereisung durch die geschilderten Maßnahmen rechtzeitig unterbunden werden kann, und zwar noch zeitlich vor Ankündigung des instabilen Verdichterkennfelds im tiefen Teillastbereich.
Die Erfindung ist selbstverständlich bei Gasturbinentriebwerken einsetzbar, die z.B. einen kombinierten Axial-Radialverdichter aufweisen, wobei die Luftabblasestelle im Verdichter zwischen dem Axialverdichteraustritt und dem Radialverdichtereintritt angeordnet sein könnte. Auch bei einem derartigen Gasturbinentriebwerk mit kombiniertem Axial-Radialverdichter könnte im übrigen die Verdichterregelung ausschließlich durch Verdichterluftabblasung oder in einer Kombination aus teilweiser Leitschaufelverstellung im Axialteil dieses Verdichtersmit teilweiser Luftabblasung, vorzugsweise zwischen Axialteilende und Radialteileintritt dieses Verdichters, vorgenommen werden.
- L e e r s e i t e -

Claims

P a t e n t a n s p r ü-c h e Einrichtung zur Verdichterregelung von Gasturbinentriebwerken, insbesondere Wellen- oder Strahltriebwerken für Flugzeuge, durch Verdichterleitschaufelverstellung und/oder Verdichterluftabblasung, dadurch gekennzeichnet, daß die im tiefen Teillastbereich stets abzublasende Verdichterluft in die zu enteisenden Bereiche des Triebwerkseinlaufs einspeisbar und hierauf dem Triebwerkshauptstrom vor der ersten Stufe des Verdichters zuführbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verdichterluftabblasung und Triebwerkseinlaufenteisung über ein einziges Ventil (9) betätigbar bzw steuer- oder regelbar sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Abblaseöffnung (11') den Verdichterkanal stets mit einer gehäuseseitig eingeschlossenen Kammer (11) verbindet, die über eine Druckluftspeiseleitung (12), in der das Ventil (9) angeordnet ist, mit dem Enteisungssystem (4) verbindbar ist.
4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Enteisungssystem (4) als Wärmetauscher zwischen der triebwerksseitig einströmenden Umgebungsluft auf der einen Seite und der erwärmten Abblaseluft auf der anderen Seite ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher des Enteisungssystems (4) mindestens einen in das Triebwerkseinlaufgehäuse koaxial integrierten Ringkanal (5) umfaßt, aus dem die Abblasluft zunächst mehreren, den Einlaufgehäuseringraum radial durchsetzenden Hohl- bzw. Stützstreben (6) zuführbar ist, die stromaufwärtig der ersten Verdichterstufe angeordnete Abströmkanäle (8) für die Abblaseluft aufweisen.
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (9) von der Triebwerksregeleinrichtung (16) ansteuerbar ist, in welche neben einschlägigen Triebwerksparametern (Drehzahl, Drücke, Temperaturen oder Kombinationen davon - (17) - zusätzlich das Signal (27) eines automatischen Enteisungsdetektors (26) einspeisbar ist.
7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil zum unmittelbaren Verschließen oder Freilegen der verdichterseitigen Abblaseöffnungen ausgebildet ist - wie an sich bekannt -, wobei die gehäuseseitig eingeschlossene Kammer stets unmittelbar über mindestens eine Druckluftleitung mit dem Enteisungssystem des Triebwerkseinlaufs in Verbindung steht.
8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verdichterregelung und Enteisung abzublasende Verdichterluft aus einer oder mehreren Zwischenstufen des Verdichters entnehmbar ist.
9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein kombinierter Axial-Radialverdichter vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftentnahme zur Verdichterregelung und Enteisung zwischen Axialteilende und Radialteileintritt des Verdichters vorgenommen wird.
10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verdichterregelung und Enteisung abzublasende Verdichterluft am Verdichterende bzw. zwischen Verdichterende und Brennkammereintritt entnehmbar ist (Öffnung 11').