DE3829908A1

DE3829908A1 - Mehrzweck-gasturbine

Info

Publication number: DE3829908A1
Application number: DE19883829908
Authority: DE
Inventors: Colin Rodgers
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1987-09-02
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1989-03-16
Also published as: JPS6469721A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, die insbesondere je nach Bedarf als Außenstromaggregat, als Lastkompressor, als Druckluftturbinenstarter oder als Druckluftturbinen-Star termotor einsetzbar ist.

Viele Flugzeuge benötigen in der einen oder andern Be triebsphase ein Außenstromaggregat. Ganz allgemein hat dieses die Funktion, elektrische und/oder hydraulische Energie für Flugzeugsysteme vorzusehen, wenn die Haupt triebwerke abgeschaltet sind.

Ferner ist es in vielen Fällen für den Flugbetrieb er wünscht, eine Druckluftversorgung zu haben, die z. B. beim Anlassen der Haupttriebwerke oder bei der Druckluftversor gung von Flugzeugsystemen, die normalerweise Druckluft als Entnahmeluft von ihren Haupttriebwerken erhalten würden, genützt wird.

Relativ häufig wird in einer solchen Umgebung auch ein Druckluftturbinenstarter zum Anlassen einer Turbine und/ oder ein Druckluftturbinen-Startermotor benötigt, wobei letzterer einem Druckluftturbinenstarter weitgehend ähnlich ist, aber mehr oder weniger im Dauerbetrieb läuft.

Selbstverständlich ist es sehr teuer, die gesamte Ausrü stung zur Bereitstellung der obengenannten Funktionen vor zusehen, und wenn sich eine solche Ausrüstung an Bord eines Flugzeugs befindet, wird dadurch unter sonst gleichen Ver hältnissen die Belastbarkeit des Flugzeuges wegen des Ge wichts dieser Ausrüstung vermindert.

Ziel der Erfindung ist die Überwindung eines oder mehrerer der vorgenannten Probleme.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer neuen und verbesserten Gasturbine. Insbesondere soll eine Gas turbine bereitgestellt werden, die abwechselnd als Außen stromaggregat, als Lastkompressor, als Druckluftturbinen starter und/oder als Druckluftturbinen-Startermotor ein setzbar ist, um dadurch Kosten und Gewicht der für die Aus führung dieser Funktionen benötigten Ausrüstung zu mini mieren.

Die Mehrzweck-Gasturbine nach der Erfindung, die abwech selnd einsetzbar ist als Außenstromaggregat, Lastkompres sor, Druckluftturbinenstarter od. dgl., ist gekennzeichnet durch einen drehbar gelagerten Fliehkraftkompressor, ein drehbar gelagertes Turbinenrad, eine schaltbare Kupplung, die den Kompressor und das Turbinenrad miteinander verbin det und selektiv zum Verbinden bzw. Trennen von Kompressor und Turbinenrad betätigbar ist, einen Einlaß zum Kompres sor, im Einlaß angeordnete verstellbare Einlaßleitschau feln, die zwischen Stellungen bewegbar sind, in denen der Einlaß einerseits im wesentlichen geöffnet und andererseits im wesentlichen geschlossen ist, einen Druckgasauslaß aus dem Kompressor, einen Gaseinlaß zum Turbinenrad, einen Ver gasungsbrenner, der den Gaseinlaß und das Turbinenrad mit einander verbindet, Leitungen, die den Druckgasauslaß und den Vergasungsbrenner miteinander verbinden und ein Ab sperrorgan enthalten, das zwischen einer ersten Stellung, in der der Druckgasstrom aus dem Druckgasauslaß zum Gas einlaß gesperrt ist, und einer zweiten Stellung, in der Druckgas vom Druckgasauslaß zum Gaseinlaß strömen kann, verstellbar ist, eine erste Mündungsöffnung in der Leitung zwischen dem Druckgasauslaß und dem Absperrorgan, die ge öffnet wird, um Druckgas zu einem Verbraucher zu leiten, und eine zweite Mündungsöffnung in der Leitung zwischen dem Absperrorgan und dem Gaseinlaß, die geöffnet wird, um Druckgas von einer externen Druckgasversorgung einzulassen.

Durch diese Konstruktion kann die Gasturbine als Lastkom pressor betrieben werden, indem sie vom Kompressor abge koppelt und der Kompressor durch das Haupttriebwerk oder eine Rotationsmaschine wie einen Motor od. dgl. angetrieben wird. Indem die Kompressorluft zum Vergasungsbrenner ge leitet und eine Rotationsmaschine wie z. B. ein Generator oder eine Pumpe durch den Kompressor oder das Turbinenrad angetrieben wird, kann die Turbine als Außenstromaggregat eingesetzt werden. Durch Verbinden des Kompressors und des Turbinenrads über die schaltbare Kupplung und Schließen der verstellbaren Einlaßleitschaufeln, wobei die Absperrorgane so betätigt werden, daß der Kompressor vom Vergasungsbren ner getrennt ist, kann das Aggregat Druckgas von einer externen Versorgung erhalten und als Druckluftturbinen starter und/oder Druckluftturbinen-Startermotor eingesetzt werden.

Die Erfindung betrifft ferner das Verfahren zum abwech selnden Betreiben einer solchen Mehrzweck-Gasturbine als Lastkompressor, als Außenstromaggregat, als Drucklufttur binenstarter und/oder als Druckluftturbinen-Startermotor im wesentlichen unter Anwendung der vorhergehend beschriebenen Schritte.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise nä her erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine Gasturbine nach der Erfindung, wobei bestimmte zugehörige Komponenten schematisch dargestellt sind.

Das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel der Gastur bine umfaßt einen Fliehkraftkompressor 10. Dieser hat eine Nabe 12 auf einer Welle 14, die ihrerseits in Lagern 16 drehbar gelagert ist. Eine Mehrzahl Schaufeln 18 sind auf der Nabe 12 angeordnet und haben die konventionelle Funk tion, aus einem Lufteinlaß 20 einströmende Luft zu verdich ten und sie nach radial außen zu einem Leitapparat 22 mit konventionellem Aufbau zu fördern.

Der Einlaß 20 weist Leitschaufeln 24 auf, die um Achsen 26 drehbar schwenkbar befestigt sind. Eine Schaufel-Stellein heit 28 wird selektiv in gewünschter Weise eingesetzt, um die Leitschaufeln 24 innerhalb des Lufteinlasses 10 zu ver drehen, um den Luftstrom zu den Kompressorschaufeln 18 zu regeln. Ferner sind die Leitschaufeln 24 in eine Lage bewegbar, in der der Lufteinlaß 20 gegenüber dem Kompressor 10 gesperrt ist.

Die Turbine hat ferner ein Turbinenrad 30 mit einer Nabe 32 und einer Welle 34, so daß das Turbinenrad 30 in Lagern 36 drehbar gelagert ist. Die Welle 34 verläuft zu der Nabe 12 und ist mit dieser durch eine selektiv betätigbare schalt bare Kupplung 38 mit konventionellem Aufbau verbunden, die zum Verbinden oder Trennen des Kompressors 10 und des Tur binenrads 30 mit- bzw. voneinander dient.

Das Turbinenrad 30 und insbesondere seine Nabe 32 trägt mehrere Turbinenschaufeln 40. Eine Ringdüsenkonstruktion 42 richtet Druckgas auf die Turbinenschaufeln 40, um in be kannter Weise das Turbinenrad 40 anzutreiben, und Druckgas wird der Ringdüsenkonstruktion 42 aus einem ringförmigen Vergasungsbrenner 44 zugeführt, in dem Treibstoff zusammen mit verdichteter Luft verbrannt wird, wobei die verdichtete Luft typischerweise vom Kompressor 10 geliefert wird; dadurch wird das zum Antreiben des Turbinenrads 30 erfor derliche Gas erzeugt.

Der Vergasungsbrenner 44 hat einen Gaseinlaß 46, durch den er die Verbrennung unterstützendes Druckgas erhält.

Ein Leitungssystem mit einem ringförmigen Verteiler 48, der mit der radial äußeren Seite des Leitapparats 22 in Fluid verbindung steht, mit einer Leitung 50, einer Leitung 52 und einer Leitung 54 verbindet den Leitapparat 22, der als Verdichterauslaß dient, mit dem Gaseinlaß 46.

In die Leitung 52 ist zwischen ihren Enden eine Absperr klappe 56 eingesetzt, die eine Absperrscheibe 58 hat, die zwischen den in der Figur gezeigten Voll- und Strichlinien bewegbar ist. In der Vollinienstellung ist die Strömung vom Verdichterauslaß oder Leitapparat 22 zum Gaseinlaß 46 ge sperrt. Wenn dagegen die Absperrscheibe 58 in die Strich linienstellung bewegt wird, kann Gas aus dem Leitapparat 22 zum Einlaß 46 strömen.

Die Leitung 50 hat eine Mündungsstelle 60, während die Lei tung 54 eine Mündungsstelle 62 aufweist. Üblicherweise ist die Mündungsstelle 60 über ein Absperrorgan 64 mit einem Druckluftverbraucher 66 verbunden. Der Verbraucher 66 kann irgendeine Vorrichtung oder ein System sein, das Druckluft benötigt. Zum Beispiel kann es sich um eine Flugzeug-Klimaanlage handeln, die normalerweise mit Entnahmeluft aus einem Triebwerk arbeitet. Alternativ kann der Verbraucher ein Druckluftstartermotor für ein Gasturbinentriebwerk sein. Weitere Beispiele möglicher Verbraucher sind für den Fach mann ohne weiteres ersichtlich.

Die Mündungsstelle 62 ist über ein selektiv betätigbares Absperrorgan 68 mit einer externen Gasversorgung, normaler weise Druckluft, verbunden, die schematisch bei 70 gezeigt ist.

Das Gesamtsystem wird typischerweise dadurch komplettiert, daß entweder der Kompressor 10 oder das Turbinenrad 30 mit einer Rotationsmaschine 72 verbunden wird. Bei der bevor zugten Ausführungsform erfolgt dies, indem die Kompressor welle 14 über eine schaltbare Kupplung 74 mit einer dynamo elektrischen Maschine, z. B. einem Motor, einem Generator oder einem Motor/Generator oder einer Hydraulikpumpe, ver bunden wird.

Die Gasturbine arbeitet wie folgt. Um die Gasturbine als konventionelles Außenstromaggregat zu nützen, wird die Schaufel-Stelleinheit 28 betätigt und bewegt die Schaufeln 24 in eine Lage, in der der Einlaß 20 geöffnet ist. Die Wellen 14 und 34 werden durch Einrücken der Kupplung 38 miteinander verbunden. Die Absperrklappe 58 wird in ihre Strichlinienstellung bewegt, und das Absperrventil 68 wird geschlossen. Typischerweise ist das Absperrventil 64 ent weder geschlossen oder nur teilweise geöffnet, wenn Ent nahmeluft vom Kompressor 10 als Teil des Betriebs der Ein heit als Außenstromaggregat benötigt wird.

Unter diesen Bedingungen wird verdichtete Luft aus dem Kompressor 10 dem Vergasungsbrenner 44 über den Verteiler 48, die Leitungen 50, 52 und 54 und den Einlaß 46 zuge führt. Die im Vergasungsbrenner 44 erzeugten Verbrennungs gase treiben das Turbinenrad 30, das seinerseits den Kom pressor 10 antreibt, so daß dieser weiterhin verdichtete Luft liefert. Leistung aus der Einheit kann als Entnahme luft über das Absperrorgan 64 oder, was wahrscheinlicher ist, von der mit der Welle 14 verbundenen Rotationsmaschine 72 entweder als elektrische Energie oder hydraulisches Druckfluid entnommen werden.

Wenn die Einheit als Ladekompressor verwendet wird, wird die Absperrscheibe 58 in die Vollinienstellung bewegt, so daß der Kompressor 10 von der Turbine 30 getrennt ist. Die Kupplung 38 wird ausgerückt, so daß der Kompressor 10 unab hängig vom Turbinenrad 30 und der von der Rotationsmaschine 72 angetriebenen Welle 14 umläuft. Die Einlaßleitschaufeln 24 nehmen eine Offenstellung ein, und verdichtete Luft wird der Mündungsöffnung 60 und einem Druckluftverbraucher 66 über das Absperrorgan 64 vom Kompressor 10 zugeführt.

Wenn die Einheit als Druckluftturbinenstarter z. B. zum Starten der Einheit selbst eingesetzt wird, wird die Schau fel-Stelleinheit 28 betätigt, so daß die Einlaßleitschau feln 24 sich in ihre Schließstellung bewegen, und die Ab sperrscheibe 58 wird in ihre Vollinienstellung bewegt. Druckgas, normalerweise Luft, wird von der Druckversorgung 70 über das Absperrorgan 68 zur Mündungsöffnung 62 gerich tet und tritt in den Vergasungsbrenner 44 durch die Gas einlässe 46 ein und wird von der Ringdüsenkonstruktion 42 auf die Turbinenradschaufeln 40 gerichtet. Dadurch wird das Turbinenrad 30 zusammen mit dem Kompressor 10 beschleunigt, so daß die Gasturbine beschleunigt werden kann, wonach die Einlaßleitschaufeln 24 zusammen mit der Absperrscheibe 58 in eine Offenstellung bewegt werden, um den Vergasungsbren ner mit die Verbrennung unterstützender Luft zu versorgen.

Wenn die Gasturbine als Druckluftturbinen-Startermotor zu verwenden ist, wird das Turbinenrad 30 durch Druckgas aus der vorgenannten Druckgasversorgung 70 auf eine Konstant geschwindigkeit gebracht, und da das Turbinenrad 30 über die Kupplung 38 mit dem Kompressor 10 verbunden ist, kann die Rotationsmaschine 72 dadurch angetrieben werden.

Es ist besonders zu beachten, daß bei Verwendung der Gas turbine als Druckluftturbinenstarter oder Drucklufttur binen-Startermotor durch das Schließen der Einlaßleitschau feln 24 während eines Teils dieser Abläufe oder während der gesamten Abläufe die Last entfällt, die sonst die umlau fenden Komponenten der Maschine beaufschlagen würde, weil die Kompressorschaufeln 18 nicht zum Verdichten von Luft wirksam sind.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß eine Gasturbine nach der Erfindung ohne weiteres zur Durchfüh rung vieler Funktionen einsetzbar ist, die bisher einzelne und gesondert betriebene Aggregate erforderten. Infolge dessen können die Kosten für die Bereitstellung einer Aus rüstung zur Durchführung dieser Funktionen minimiert wer den, was ebenso für das Gewicht gilt, wodurch die Gastur bine sich in idealer Weise zum Einsatz in Verbindung mit Flugzeugen eignet.

Claims

1. Mehrzweck-Gasturbine, die abwechselnd einsetzbar ist als Außenstromaggregat, Lastkompressor, Druckluftturbinenstar ter od. dgl., gekennzeichnet durch
einen drehbar gelagerten Fliehkraftkompressor (10);
ein drehbar gelagertes Turbinenrad (30);
eine schaltbare Kupplung (38), die den Kompressor (10) und das Turbinenrad (30) miteinander verbindet und selektiv zum Verbinden bzw. Trennen von Kompressor und Turbinenrad be tätigbar ist;
einen Einlaß (20) zum Kompressor (10);
im Einlaß (20) angeordnete verstellbare Einlaßleitschau feln (24), die zwischen Stellungen bewegbar sind, in denen der Einlaß (20) einerseits im wesentlichen geöffnet und andererseits im wesentlichen geschlossen ist;
einen Druckgasauslaß (22) aus dem Kompressor (10);
einen Gaseinlaß (46) zum Turbinenrad (30);
einen Vergasungsbrenner (44), der den Gaseinlaß (46) und das Turbinenrad (30) miteinander verbindet;
Leitungen (48, 50, 52, 54), die den Druckgasauslaß (22) und den Vergasungsbrenner (44) miteinander verbinden und ein Absperrorgan (56, 58) enthalten, das zwischen einer ersten Stellung, in der der Druckgasstrom aus dem Druckgasauslaß (22) zum Gaseinlaß (46) gesperrt ist, und einer zweiten Stellung, in der Druckgas vom Druckgasauslaß zum Gaseinlaß strömen kann, verstellbar ist;
eine erste Mündungsöffnung (60) in der Leitung (50) zwi schen dem Druckgasauslaß (22) und dem Absperrorgan (56, 58), die geöffnet wird, um Druckgas zu einem Verbraucher (66) zu leiten; und
eine zweite Mündungsöffnung (62) in der Leitung (54) zwi schen dem Absperrorgan (56, 58) und dem Gaseinlaß (46), die geöffnet wird, um Druckgas von einer externen Druckgasver sorgung (70) einzulassen.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Rotationsmaschine (72), die entweder mit dem Kompres sor (10) oder mit dem Turbinenrad (30) verbindbar ist.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Druckluftverbraucher (66), der mit der ersten Mün dungsöffnung (60) verbunden ist, und ein zwischen diesem und der ersten Mündungsöffnung angeordnetes, selektiv betätigbares Absperrorgan (64).

4. Gasturbine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine externe Druckgasversorgung (70), die mit der zweiten Mündungsöffnung (62) verbunden ist, und ein zwischen dieser und der zweiten Mündungsöffnung angeordnetes, selektiv betätigbares Absperrorgan (68).

5. Gasturbine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen umlaufenden Verbraucher mit einem Rotationsantrieb, der mit dem Kompressor (10) oder dem Turbinenrad (30) ver bindbar ist;
einen mit der ersten Mündungsöffnung (60) verbundenen Druckgasverbraucher (66) und ein zwischen diesem und der ersten Mündungsöffnung angeordnetes, selektiv betätigbares Absperrorgan (64); und
eine mit der zweiten Mündungsöffnung (62) verbundene ex terne Druckgasversorgung (70) und ein zwischen dieser und der zweiten Mündungsöffnung angeordnetes, selektiv betätig bares Absperrorgan (68).

6. Verfahren zum abwechselnden Betreiben einer Gasturbine als Außenstromaggregat, als Lastkompressor, als Druckluft turbinenstarter od. dgl., wobei die Turbine aufweist: einen Fliehkraft-Kompressor und ein umlaufendes Turbinenrad sowie eine beide verbindende schaltbare Kupplung, die selektiv schaltbar ist zum An- bzw. Abkoppeln des Kompressors, fer ner verstellbare Einlaßleitschaufeln für den Kompressor und einen Vergasungsbrenner, der die Turbine mit heißem Ver brennungsgas versorgt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Betreiben der Gasturbine als Außenstromaggregat, wobei der Kompressor von der Turbine angetrieben wird unter Förderung von Druckgas zum Vergasungsbrenner und Ver brennen von Treibstoff in diesem unter Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen zum Antrieb der Turbine, wäh rend eine anzutreibende Rotationsmaschine mit dem Kom pressor oder der Turbine verbunden ist;
b) Betreiben der Gasturbine als Lastkompressor, wobei der Kompressor angetrieben wird, während er durch die Kupp lung von der Turbine getrennt ist, und vom Kompressor verdichtetes Gas aus dem Vergasungsbrenner zu einem externen Druckluftverbraucher umgeleitet wird; und
c) Betreiben der Gasturbine als Druckluftturbinenstarter, wobei Druckgas von einer externen Druckgasversorgung zum Vergasungsbrenner geleitet wird, während die Ein laßleitschaufeln zum Kompressor geschlossen sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zusätzlich die Gastur bine alternativ als Druckluftturbinen-Startermotor be trieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (c) kontinuierlich durchgeführt und eine anzu treibende Rotationsmaschine mit dem Kompressor verbunden wird.