DE3439108A1

DE3439108A1 - Luftsteuerungssystem

Info

Publication number: DE3439108A1
Application number: DE19843439108
Authority: DE
Inventors: Rollin George Cincinnati Ohio Giffin III
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-10-31
Filing date: 1984-10-25
Publication date: 1985-05-09
Also published as: FR2554169A1; IT1178575B; IT8423209A1; IT8423209A0; JPS60125732A; GB2149016A; GB8422469D0

Description

Luftsteuerungssystem

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Luftsteuerungssystem in einem Turbinenmotor zur Lieferung von einen hohen Druck aufweisender Luft für eine Verwendung außerhalb des Motors bzw. des Triebwerks. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen neuartigen Gebläsespitzenverdichter zur Erzeugung der Hochdruckluft.

Die Entwicklung von Plugzeugen, die senkrecht oder auf kurzen Strecken starten und landen können, hat eine Anzahl von herausfordernden Problemen mit sich gebracht. Eines der Probleme besteht darin, wie effektiv die Steuerung von Steigung, Kursabweichung und Rollen des Flugzeuges während des Startens und Landens eingehalten werden kann, wenn normale Steuerflächen wegen fehlender Vorwärtsbewegung nicht wirksam sind.

Ein Mittel zum Steuern des Plugzeugs während derartiger Perioden besteht darin, kleine Düsen oder Strahlen an strategischen Stellen auf dem Flugzeug vorzusehen. Durch Zuführen von einen relativ hohen Druck aufweisender Luft zu diesen Düsen kann eine ausreichende Steuerung des Flugzeugs erzielt werden.

In der Vergangenheit ist Luft für diese Düsen aus dem Verdichter erhalten worden. Üblicherweise ist ein Sammelverteiler um Löcher in dem Verdichtergehäuse herum angeordnet, die Hochdruckluft aus der Verdichterströmung abzweigen. Dieses Verdichterabzapfsystem ist für einen Bedarf an einem relativ kleinen Volumen adäquat. Wenn jedoch die Menge der geforderten Luft zunimmt, tritt eine signifikante Verschlechterung der Leistung des Motors bzw. des Triebwerks auf.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein effizientes Mittel zu schaffen, um Hochdruckluft aus einer Luftströmung zu erhalten. Dabei soll eine neue und verbesserte Gebläseschaufelkonfiguration geschaffen werden. Ferner soll ein neuer und verbesserter Gebläsespitzenverdichter geschaffen werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert ein Luftsteuerungssystem in einem Gasturbinentriebwerk unter einem relativ hohen Druck stehende Luft aus einer Luftströmung für eine Verwendung außerhalb des Triebwerkes bzw. Motors. Das Luftsteuerungssystem weist mehrere innere Schaufeln, die mit einem Rotor verbunden sind, einen Mantel, der an dem Außenende von jeder der inneren Schaufeln befestigt ist, und mehrere äußere Schaufeln auf, die sich von dem Mantel nach außen erstrecken. Der Mantel teilt die Luftströmung in innere und äußere Strömungsbahnen, wobei die äußere Strömungsbahn die Hochdruckluft enthält.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine schematische Ansicht von einem Luftsteuerungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine Ansicht längs der Linie 2 - 2 in Figur 1.

Figur 3 ist eine ähnliche Ansicht wie Figur 2 von einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Ansicht des Vorderendes eines Gasturbinentriebwerkes 10 mit einem Luftsteuerungssystem 12. Das Luftsteuerungssystem 12 enthält ein Gebläse 14 mit inneren Schaufeln 16, die mit einem Rotor 25 verbunden sind. Das System 12 enthält ferner einen Mantel 18, der mit dem Außenende 20 der Schaufeln 16 verbunden ist, und einen Gebläsespitzenverdichter 22 mit äußeren Schaufeln 24. Die Schaufeln 24 erstrecken sich

von dem Mantel 18 nach außen und sind an diesem befestigt, so daß das Gebläse 14, der Mantel 18 und der Verdichter 22 durch den Rotor 25 angetrieben werden.

Der Mantel 18 teilt die Luftströmung 26 in eine innere Strömungsbahn 28 und eine äußere Strömungsbahn 30. Die Strömungsbahnen 28 und 30 können stromaufwärts von dem Mantel 18 durch eine Verkleidung 32 getrennt sein, wie es in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 gezeigt ist. Stromabwärts von dem Mantel 18 sind diese Strömungsbahn durch ein äußeres Triebwerksgehäuse 34 getrennt. Die Strömungsbahn 28 ist ferner stromabwärts von dem Gebläse 14 in einen Bypasskanal 36 und einen Kernkanal 38 geteilt. Es sind jedoch noch viele verschiedene stromabwärtige Konfigurationen der Strömungsbahn 28 möglich.

Das Luftsteuerungssystem 12 kann ferner variable/Einlaßführungs schaufeln 40 aufweisen, die innerhalb der äußeren Strömungsbahn 30 und stromaufwärts von dem Gebläsespitzenverdxchter 22 angeordnet sind. In ähnlicher Weise können Auslaßführungsschaufeln 42 in der äußeren Strömungsbahn 30 hinter dem Verdichter 22 vorgesehen sein. Ein Sammelverteiler 44 ist in der äußeren Strömungsbahn 30 stromabwärts von den äußeren Schaufeln 24 und den Auslaßführungsschaufeln 42 angeordnet. Eine Auslaßeinrichtung 46 richtet die Luft in der äußeren Strömungsbahn 30 für eine Verwendung außerhalb des Triebwerks oder Motors 10. Beispielsweise kann diese Luft zu Düsen in einem Flugzeugflügel geleitet werden für eine Steigungs-, Kursabweichungs- und Rollsteuerung. /bzw. verstellbare

Figur 2 ist eine Ansicht entlang der Linie 2 - 2 in Figur 1 und zeigt die Schaufelanordnung des Gebläses 14 und des Spitzen verdichters 22 deutlicher. Die inneren Schaufeln 16, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, haben eine leichte Biegung oder Wölbung. Wenn die Schaufeln 16 in der durch den Pfeil 48 gezeigten Richtung umlaufen, wird der Druck der Luft in der inneren Strömungsbahn 28 erhöht. Eine quantitative Messung der Druckerhöhung aufgrund der Schaufelrotation ist die Diffe-

renz zwischen dem Luftdruck hinter der Schaufel und dem Luftdruck vor der Schaufel. Dieser Druckanstieg liegt üblicherweise in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0 bar.

Die äußeren Schaufeln 24 haben mehr Wölbung als die inneren Schaufeln 16, insbesondere nahe der Hinterkante 50. Eine derartige stärkere Wölbung in Verbindung mit der höheren Geschwindigkeit der äußeren Schaufeln 24 gegenüber den inneren Schaufeln 16 sorgt für einen erhöhten Druckanstieg in der äußeren Strömungsbahn 30. Dieser Druckanstieg aufgrund des Spitzenverdichters 22 ist größer als der Druckanstieg in der inneren Strömungsbahn 28 aufgrund des Gebläses 14. Für eine Lieferung von einen relativ hohen Druck aufweisenden. Luft an Flügelspitzendüsen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Druckanstieg in der äußeren Strömungsbahn 30 wenigstens 25 % höher als der Druckanstieg in der inneren Strömungsbahn 28.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die inneren Schaufeln 16 und die äußeren Schaufeln 24 mit einem durchgehenden bzw. geschlossenen Mantelring 18 verbunden sind. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall können die Schaufeln 24 und 16 entweder von dem Mantel 18 lösbar oder einstückig mit diesem ausgebildet sein. Figur 2 zeigt zwar eine entsprechende Anzahl von inneren und äußeren Schaufeln 24 und 16 mit der gleichen axialen Projektion 62. Die Anzahl der Schaufeln und ihre axiale Projektion können jedoch variieren.

Um den Druckanstieg in der äußeren Strömungsbahn 30 weiter zu vergrößern, kann die gesamte Sehnenlänge der äußeren Schaufeln 24 größer gemacht werden als die gesamte Sehnenlänge der inneren Schaufeln 16. Zwei Wege zum Vergrößern der gesamten Sehnenlänge bestehen in der Vergrößerung der Sehnenlänge 64 von jeder Schaufel 24 oder durch Vergrößern der Anzahl der äußeren Schaufeln 24.

Figur 3 zeigt anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die Anzahl der äußeren Schaufeln vergrößert ist. Zusätzlich ist jeder

Mantel 18 in Mantelsegmente 52 unterteilt. Jedes Segment 52 enthält eine innere Schaufel 16, die in gestrichelten Linien dargestellt ist, und eine erste äußere Schaufel 24a. Das Massenzentrum bzw. der Schwerpunkt der inneren Schaufel 16 ist an einer ersten Stelle 54 angeordnet. Die Stelle 54 kann räumlich relativ zu der Triebwerksmittellinie durch ein Axial- Radial-Umfangsrichtung-Koordinatensystem angeordnet werden. In ähnlicher Weise hat die erste äußere Schaufel 24a ein Massenzentrum bzw. einen Schwerpunkt an einer Stelle 56. Wenn das Gebläse 14, der Mantel 18 und der Spitzenverdichter 22 umlaufen, wird ein Biegemoment aufgrund der Versetzung des Schwerpunktes an der Stelle 56 relativ zum Schwerpunkt an der Stelle 54 hervorgerufen. Da der Mantel 18 segmentiert ist, werden alle diese Biegemomente durch die inneren Schaufeln 16 übertragen.

Somit kann für einen segmentierten Mantel gemäß dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine zweite äußere Schaufel 24b, die zur Vergrößerung der gesamten Sehnenlänge hinzugefügt ist, in vorteilhafterweise relativ zu den Schaufeln 16 und 24a angeordnet werden. Die Schaufel 24b hat einen Schwerpunkt an der Stelle 58. Die erste äußere Schaufel 24a und die zweite äußere Schaufel 24b haben zusammen einen Schwerpunkt, der an einer zweiten Stelle 60 angeordnet ist. Durch eine richtige Anordnung der äußeren Schaufeln 24a und 24b kann die zweite Lage 60 im wesentlichen der ersten Lage 54 oder der Sehne der Schaufel 16 entsprechend gemacht werden, wodurch das Biegemoment auf die inneren Schaufeln 16 auf ein Minimum gesenkt wird.

Im Betrieb kann das Luftsteuerungssystem 12 einen relativ hohen Druck aufweisende Luft aus der Luftströmung 26 liefern für eine Verwendung außerhalb des primären Triebwerksantriebs. Die Anzahl und die aerodynamische Form der äußeren Schaufeln 24 des Gebläsespitzenverdichters 22 können so gewählt bzw. abgestimmt werden, daß sie einen größeren Druckanstieg liefern, als er durch das Gebläse 14 erreichbar ist. Auf Wunsch können variable Einlaßführungsschaufeln 40 zusammen mit der Verkleidung 32 ver-

wendet werden, um den Druckanstieg und die Strömungscharakteristiken in der äußeren Strömungsbahn 30 zu modulieren. Nach Erreichen des Sammelverteilers 44 ist die Luft dann verfügbar, um Arbeit zu verrichten oder Schub zu erzeugen, wie es gerade erforderlich ist.

Um die Erfindung bei einem bestehenden Ttirbofan-Triebwerk zu verwenden, sind Änderungen außerhalb der Bypass- und Kernkanäle erforderlich. Strukturelle Änderungen innerhalb des Triebwerks bzw. Motors müssen jedoch nicht gemacht werden. Infolgedessen ist der Spitzenverdichter 22 ein ökonomisches Mittel, durch das einen relativ hohen Druck aufwweisende Luft für Zwecke geliefert werden kann, wie sie vorstehend beschrieben wurden. Ferner kann er diese Luft effizienter liefernals Verdichterabzapfsysteme mit extensiveren Kanalleitungen.

Die Erfindung ist jedoch nicht nur für Spitzenverdichter auf Gebläseschaufeln oder für eine Anwendung bei Turbofan-Triebwerken geeignet. Die Erfindung ist vielmehr in gleicher Weise bei Spitzenverdichtern auf irgendeiner umlaufenden Schaufel anwendbar, wie sie beispielsweise in Turbostrahl-Triebwerken gefunden wird.

Weiterhin stellen die Abmessungen und proportionalen strukturellen Relationen in der Zeichnung nur Ausführungsbeispiele dar. Sie sind keinesfalls als tatsächliche Abmessungen oder proportionale strukturelle Relationen anzusehen, wie sie in dem Gebläsespitzenverdichter gemäß der Erfindung verwendet werden.

- Leerseite

Claims

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

Ansprüche

Luftsteuerungssystem für ein Gasturbinentriebwerk zur Lieferung von einen relativ hohen Druck aufweisender Luft aus einer Luftströmung für eine Verwendung außerhalb des Triebwerks ,

gekennzeichnet durch:

mehrere innere Schaufeln (16) , die mit einem Rotor (25) verbunden sind/

einen Mantel (18) ,der an dem Außenende von jeder inneren Schaufel befestigt ist, und

mehrere äußere Schaufeln (24), die von dem Mantel nach außen ragen,

wobei der Mantel (18) die Luftströmung in innere und äußere Strömungsbahnen (28, 30) unterteilt, von denen die äußere Strömungsbahn (30) Hochdruckluft enthält.

2. Luftsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der inneren und äußeren Schaufeln (16, 24) einen Druckanstieg der Luft in den inneren bzw. äußeren Strömungsbahnen hervorruft, wobei der Druckanstieg in der äußeren Strömungsbahn (30) größer ist als der Druckanstieg in der inneren Strömungsbahn (28).

3. Luftsteuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckanstieg in der äußeren Strömungsbahn (30) wenigstens 25 % größer ist als der Druckanstieg in der inneren Strömungsbahn (28) .

4. Luftsteuerungssystem nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Sehnenlänge der äußeren Schaufeln (24) größer ist als die gesamte Sehnenlänge der inneren Schaufeln (16).

5- Luftsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere verstellbare Einlaßführungsschaufeln (40) innerhalb der äußeren Strömungsbahn (30) und stromaufwärts von den äußeren Schaufeln (24) angeordnet sind.

6. Luftsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sammelverteiler (44) in der äußeren Strömungsbahn (30) stromabwärts von den äußeren Schaufeln (24) angeordnet ist.

7. Luftsteuerungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gebläsespitzenverdichter (22) mit mehreren äußeren Schaufeln (24) vorgesehen ist, die von dem Mantel (18) nach außen ragen.

8. Luftsteuerungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Sehnenlänge der äußeren Schaufeln größer ist als die gesamte Sehnenlänge der inneren Schaufeln.

9. Luftsteuerungssystem nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel segmentiert ist, wobei ein Mantelsegment (52) an dem

äußeren Ende der inneren Schaufel befestigt ist, deren Schwerpunkt an einer ersten Stelle (54) angeordnet ist, eine erste äußere Schaufel (24a) sich von dem Mantelsegment (52) nach außen erstreckt und eine zweite äußere Schaufel (24b) sich von dem Mantelsegment nach außen erstreckt, wobei die ersten und zweiten Schaufeln einen Schwerpunkt aufweisen, der an einer zweiten Stelle (60) angeordnet ist.

10. Luftsteuerungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stelle (60) der ersten Stelle (54) im wesentlichen entspricht.