DE3909577A1

DE3909577A1 - Spaltsteueranordnung

Info

Publication number: DE3909577A1
Application number: DE3909577A
Authority: DE
Inventors: William Francis Mcgreehan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-04-07
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1989-10-19
Anticipated expiration: 2009-03-24
Also published as: US4893983A; DE3909577C2; GB2219348B; IT8920046A0; GB8907783D0; JPH01315626A; JP3083525B2; IT1229147B; FR2629867A1; FR2629867B1; GB2219348A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Steueranordnung zum Variieren von Spalten in einem Gas turbinentriebwerk bzw. einer Turbomaschine durch selek tive Erwärmung oder Kühlung des Triebswerksrotors bzw. Maschinenrotors.

Die vorliegende Anmeldung hat Bezug zur gleichzeitig erfolgenden Anmeldung, die auf die Auslandsanmeldung mit der Serien-Nr. 13 DV-9472 zurückgeht, die gleichzeitig mit der Auslandsanmeldung der vorliegenden Erfindung eingereicht worden ist.

Gasturbinentriebwerke umfassen typischerweise ein Kerntriebwerk, das die eigentliche Kernantriebsmaschine darstellt, mit einem Verdichter zum Zuführen verdichteter, in das Kerntriebwerk eintretender Luft, eine Verbrennungs kammer, in der Brennstoff mit der verdichteten Luft ge mischt wird und darauffolgend abgebrannt wird, um einen hochenergetischen Gasstrom zu erzeugen, und eine erste Turbine, die Energie aus dem Gasstrom zum Antreiben des Verdichters extrahiert. In Luftfahrzeug-Turboantriebs werken, d. h. Zweikreistriebwerken, extrahiert eine zweite Turbine oderNiederdruckturbine, die auf der Abwärtsstrom seite, d. h. der Ausgangsseite vom Kerntriebwerk gelegen ist, mehr Energie aus dem Gasstrom zum Antreiben eines Bläsers. Der Bläser liefert die hauptsächliche Vortriebs leistung, d. h. den Schub, der vom Triebwerk erzeugt wird.

Die rotierenden Triebwerkskomponenten der Turbine und des Verdichters schließen eine Anzahl von an einer Scheibe befestigten Schaufeln ein, die von einer statio nären Ummantelung, dem sogenannten Shroud umgeben sind.

Um den Wirkunsgrad, d. h. die Leistungsfähigkeit des Triebwerks aufrecht zu erhalten, ist anzustreben, den Zwischenraum oder Spalt zwischen den Schaufelenden und der Ummantelung auf einem Minimum zu halten. Wäre das Triebwerk oder die Maschine nur unter Dauerbetriebs zustandsbedingungen zu betreiben, so wären Schaffung und Aufrechterhaltung eines schmalen, kleinen Spalts ziemlich einfach. Jedoch impliziert der normale Betrieb von Luftfahrzeuggasturbinentriebwerken verschiedenste, zahlreiche vorübergehend auftretende Bedingungen, die Änderungen in der Rotorgeschwindigkeit und -temperatur mit sich bringen können. So sind beispielsweise während des Starts beim Abheben die Rotorgeschwindigkeit und -temperatur hoch, was bedeutet, daß eine entsprechend große radiale Ausdehnung der Schaufeln und Scheibe vor liegt. In entsprechender Weise tritt während der Abnahme der Triebwerksrotorgeschwindigkeit und -temperatur eine Verminderung der radialen Ausdehnung der Schaufeln und Scheibe auf. Die stationäre Ummantelung dehnt sich an sprechend auf Änderungen der Temperatur ebenfalls aus oder zieht sich zusammen.

Es ist schwierig, eine passive Anordnung so auszu legen, daß in der Anordnung die Schaufeln und die Scheibe sich mit derselben Rate wie die Ummantelung radial nach außen bewegen, um einen gleichbleibenden Spalt zwischen Schaufeln und Ummantelung aufrecht zu er halten. Dies ist teilweise der Fall, weil sich der Rotor beinahe sofort ansprechend auf Änderungen der Rotorge schwindigkeit elastisch ausdehnt, wohingegen keine ent sprechende Ummantelungsausdehnung auftritt. Außerdem liegt ein Unterschied in der Rate der thermisch hervor gerufenen Ausdehnung zwischen Ummantelung und Rotor vor. Typischerweise ist die thermische Ausdehnung der Rotor schaufeln gegenüber der elastischen Ausdehnung verzögert, und die thermische Ausdehnung der Ummantelung ist wiederum gegenüber der thermischen Schaufelausdehnung verzögert, wobei die thermische Ausdehnung der Scheibe das lang samste Ansprechverhalten von allen zeigt.

In der Vergangenheit wurden verschiedene aktive Anordnungen verwendet, um die relative Ausdehnung von Ummantelung und Rotor zu steuern und hierdurch den Spalt zu regeln, wobei beispielsweise die Leitschaufeln- oder Leitradummantelung erwärmt und/oder gekühlt wurde, wie in der US-PS 42 30 436 von Davison offenbart ist.

Ein weiterer Vorschlag zum Steuern von Spalten in einem Verdichter durch selektives Erwärmen des Rotors ist in der US-PS 45 76 547 von Weiner beschrieben. Die dort erläuterte Anordnung zeigt zwei Quellen für Verdich terluft von jeweils relativ hohem Druck und unterschied lichen Temperaturen, wobei selektiv die Luft einer Quelle in die Rotorbohrung an einer mittleren Stufen station des Verdichters eingelassen wird. Die Steuerung von Spalten durch kontinuierliche Kühlung eines Rotors ist ferner in der US-PS 36 47 313 von Koff beschrieben.

Als weiterer Gesichtspunkt kommt hinzu, daß nicht nur ein aktives System als Eigenschaft das Vermögen der Variation des Spaltes zwischen den Schaufelenden und der umgebenden Ummantelung aufweisen muß, sondern auch die Steuerlogik den Spalt exakt vorhersagen muß und den zur Variation des Spalts verwendeten Einrichtungen ein ent sprechendes Signal liefern muß.

Ein Beispiel für eine in einem bekannten Spalt steuersystem verwendete Steuerlogik findet sich in der US-PS 42 30 436 von Davison. Davison steuert zwei Luft quellen als Funktion der Zeiteinstellung und Getriebe geschwindigkeit. Weitere Systeme haben ebenfalls die Getriebegeschwindigkeit als Steuerparameter verwendet. Beispielsweise wird nach dem US-Patent 40 69 662 von Redinger die Ummantelungskühlluft bei einer vorbestimmten Getriebegeschwindigkeit und Höhe eingeschaltet.

In Systemen, in denen die Lufttemperatur oder Luftdurchströmung vollständiger modulierbar sind, kann eine komplexere Steuerlogik erforderlich sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Anordnung zur Steue rung der Temperatur des Rotors einer Turbomaschine anzugeben.

Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, eine neue und verbesserte Steueranordnung zum Varieren der Spalte von den Schaufelenden zur Ummantelung in einer Turbomaschine anzugeben.

Ferner soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Turbomaschinenrotors angegeben werden.

Darüber hinaus soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren zur Vorhersage eines Betriebs parameters innerhalb der Bohrung eines Turbomaschinen rotors angegeben werden, um die erforderliche Temperatur des in die Bohrung geförderten Fluids zur Änderung der Spalte von den Schaufelenden zur Ummantelung exakt zu berechnen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zum Steuern der Temperatur des Rotors einer Turbomaschine angegeben. Die Anordnung umfaßt Einrichtungen, die dem Rotor eine Wärmeübertra gungsfluiddurchflußmenge zuführen, Einrichtungen zum Variieren der Temperatur der Durchflußmenge und Einrich tungen zum Variieren der Durchflußmenge als Funktion der Wärmedurchlässigkeit, d. h. der Wärmetransportkapazität (heat carrying capacity) des Fluids.

Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Steuern der Temperatur des Rotors einer Turbomaschine angegeben. Dieses Verfahren schließt den Schritt der Gewinnung und Bereitstellung einer Wärmeübertragungs fluiddurchflußmenge (w _b) zum Rotor, der Berechnung der Rotortemperatur als eine Funktion von w _b, der Be stimmung einer gewünschten Rotortemperatur und der Variierung der Temperatur des Wärmeübertragungsfluids zur Erzielung der gewünschten Rotortemperatur ein.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeich nungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Gasturbinentriebwerks mit den erfindungsgemäßen Merkmalen,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht des Hochdruckverdichters des Triebwerks aus Fig. 1, der eine Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht,

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht der Hochdruckturbine des in Fig. 1 gezeigten Triebwerks, wobei diese Turbine zusammen mit der Darstellung aus Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht, und

Fig. 4 die Darstellung des Temperaturwirkungs grades bzw. der Wärmewirksamkeit in Abhängigkeit von der Getriebekerngeschwindigkeit für unterschiedliche axiale Positionen und für eine im wesentlichen konstante Massendurchflußmenge eines Bohrungswärmeübertragungs fluids, gemessen in Prozent der Massendurchflußmenge durch das Kerngetriebe.

Die Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Kerntriebwerk 12, d. h. der eigentlichen Kernan triebsmaschine, und einem Niederdrucksystem 14. Das Kern triebwerk 12 weist eine axial symmetrische Strömung, einen Hochdruckverdichter 16, einen Kombustor, d. h. eine Turbinenverbrennungskammer 18 und eine Hochdruck turbine 20 strömungsmäßig seriell zueinander angeordnet auf. Der Verdichter 16 und die Turbine 20 weisen Rotor abschnitte auf, die durch eine erste Welle 22 verbunden sind und gemeinsam um die Triebwerksmittenlinie 24, die gestrichelt eingezeichnet ist, rotieren. Gemeinsam mit der Welle 22 bilden diese Rotorabschnitte mit den übrigen rotierenden Elementen des Kerntriebwerks 12 den Turbinen rotor 19.

Das Niederdrucksystem 14 umfaßt den Fan oder Bläser 26, einen Axialboosterverdichter, d. h. Zusatzschubver dichter 28 und eine Niederdruckturbine 30. Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, sind der Bläser 26 und Verdichter 28 vor dem Kerntriebwerk 12 angeordnet, und die Niederdruck turbine 30 ist hinter dem Kerntriebwerk 12 angeordnet. Die Rotorabschnitte der Niederdrucksystemkomponenten sind durch eine zweite Welle 32 verbunden, die um die Trieb werksmittenlinie 24 rotiert.

Luft, die in das Kerntriebwerk 12 eintritt, durch quert zunächst den radial inneren Abschnitt des Bläsers 26 und den Boosterverdichter 28, in welchem sie komprimiert wird, wodurch ihr Druck und ihre Temperatur erhöht werden. Die Luft wird ferner bei ihrer Bewegung durch den Hoch druckverdichter 16 weiter komprimiert. Die Luft wird daraufhin in der Verbrennungskammer 18 mit Treibstoff gemischt und abgebrannt, um einen hochenergetischen Gas strom zu bilden. Dieser Gasstrom wird durch die Hochdruck turbine 20 expandiert, in welcher Energie zum Antrieb des Verdichters 16 extrahiert wird. Durch die Niederdruck turbine 30 wird mehr Energie zum Antreiben des Bläsers 26 und Boosterverdichters 28 extrahiert. Das Triebwerk 10 erzeugt die Vortriebsleistung, d. h. den Schub durch die Bläserluft, die aus der Bläserleitung bzw. dem Bläserkanal 34 austritt, und durch die Gase, die aus der Kerndüse 36 hinter der Niederdruckturbine 30 aus treten.

Der in Fig. 2 detaillierte dargestellte Hochdruck verdichter 16 weist mehrere Scheiben 40 auf. Jede Scheibe 40 trägt mehrere auf dem Umfang beabstandet an geordnete Verdichterschaufeln 42, die eine einzelne Verdichterstufe definieren. Die verschiedenen Stufen sind miteinander über Teile 44 und mit der röhrenartigen Welle 22 über eine Konus- oder vorwärtsgerichtete, vordere Stütz- oder Halterungskonstruktion 46 verbunden. Diese Elemente des Rotors 19 definieren zwischen der Welle 22 und den Verbindungsteilen 44 eine Rotorbohrung 48 (rotor bore), mit der der durch den Rotorinnendurchmesser definierte Kanal umfaßt wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Hochdruckturbine 20 um faßt eine Scheibe 80, die mehrere auf dem Umfang beab standet angeordnete Turbinenschaufeln 82 trägt. Die Scheibe 80 ist mit den Verdichterstufen über Teile 45 und mit der Welle 22 über eine hintere Stütz- oder Halte rungskonstruktion 84 verbunden.

Sämtliche Komponenten des Triebwerks 10 sind an ihren radial äußeren Enden von einer stationären Schirm blechkonstruktion, dem sogenannten Deckband (Shroud) umgeben. Zum Beispiel ist der in Fig. 2 gezeigte Hoch druckverdichter 10 von einer Ummantelung 38 umgeben.

Ein Teil der vorliegenden Erfindung besteht in einer Anordnung zur Aufrechterhaltung eines angestrebten Spaltes zwischen den rotierenden Schaufeln und einer Ummantelung um diese Schaufeln durch Steuerung der Temperatur der Scheiben, die die Schaufeln tragen. In einer Ausführungsform umfaßt die Anordnung Einrichtungen zum Zuführen eines Kühlfluids zum Rotor, Einrichtungen zum Zuführen eines Heizfluids zum Rotor und Einrichtungen zur Steuerung lediglich der Strömung, d. h. Durchflußmenge oder Durch strömung des Heizfluids.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung aus den Fig. 2 und 3 wird Kühlfluid vom Boosterverdichter 28 zugeführt. Die Einrichtung zum Zuführen dieser Hilfs-, Zusatz- oder Boosterluft umfaßt einen Schlitz oder Spalt 50, einen Druckluftverteiler (Manifold) 56, eine gemeinsame Mischkammer 58 und Bohrungen oder Löcher 60. Der Schlitz 50 stellt eine bevorzugte Form einer Öffnung dar, durch die Boosterzusatz- oder anzapfluft geliefert wird. Der Schlitz 50 ist in der radial inneren Wand 52 des ringförmigen Strömungswegs 54 an einer Stelle hinter dem Boosterverdichter 28 und vor dem Hochdruckverdichter 16 vorgesehen. Boosterluft zum Kühlen des Rotors 19 wird kontinuierlich durch den Schlitz 50 geblasen und ent nommen. Die Luft wird im Verteiler 56 (der vorzugsweise eine weniger als 360°-Konstruktion ist, jedoch auch in einigen Ausführungen eine 360°-Konstruktion sein kann oder auch mehrere diskrete Verteiler umfassen kann) ge sammelt, aus dem die Luft in die gemeinsame Mischkammer 58 austritt. Die Mischkammer 58 ist vor der Halterungs konstruktion 46 und am vorderen, dem Verdichter 28 zu gewandten Ende des Rotors 19 ausgebildet. Die Kammer 58 ist fluidmäßig mit der Rotorbohrung 48 durch mehrere Bohrungen oder Löcher 60 in der vorderen Halterungs konstruktion 46 verbunden.

Im in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungs beispiel ist das Heizfluid Verdichterluft, die von einer Zwischenstufe des Hochdruckverdichters 16 entnommen wird. Durch die Zufuhr von Luft von einer Stelle hinter der ersten stromaufwärts gelegenen (d. h. auf der Eintritts seite gelegenen) Hochdruckverdichterstufe 43 kann Luft einer höheren Temperatur gewonnen werden. Die Einrich tungen zum Zuführen dieser Verdichterluft schließen einen Druckluftverteilter 62, eine Röhre 64, eine Strebe oder auch Stiel oder Bein (Strut) 66, die gemeinsame Mischkammer 58 und Durchbohrungen 60 ein. Die Luft wird im Anzapf- oder Entnahmeverteiler 62 gesammelt, der bezüglich des Hochdruckverdichters 60 radial außen liegend angeordnet ist. Die Röhre 64 erstreckt sich außerhalb der radial äußeren Wandung 53 des Strömungs wegs 64 und verbindet den Anzapfverteiler 62 mit der Strebe 66, die zwischen dem Boosterverdichter 28 und Hochdruckverdichter 16 liegt. Bei Aktivierung fließt Verdichterluft vom Verteiler 62 durch die Röhre 64 und die hohle Strebe 66 und in die gemeinsame Misch Kammer 58.

Eine Einrichtung zum Steuern der Durchströmung oder Durchflußmenge an Verdichterluft (w _h) schließt Einrich tungen zum Variieren von w _h und Einrichtungen zum Steuern dieser variierenden Einrichtungen ein. Im in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die variieren den Einrichtungen durch ein Ventil 70 dargestellt, das durch eine logische Steuereinrichtung 68 gesteuert wird. Die Funktion der logischen Steuereinrichtung 68 wird im folgenden vollständiger erläutert. Von ihrer struk turellen Auslegung her kann die logische Steuereinrich tung 68 eine Computervorrichtung wie einen Mikro prozessor oder eine äquivalente Anordnung einschließen, wie dem Fachmann ohne weiteres einsichtig ist. Das Ven til 70 ist innerhalb der Röhre 64 angeordnet und ist zur Erleichterung des Zusammenbaus, der Betätigung und Wartung radial außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet.

In einer Ausführungsform umfaßt die Erfindung eine Einrichtung zum Einschränken oder Begrenzen des Luft stroms, d. h. der Durchflußmenge der Luft zum Rotor. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfaßt diese Einschränkungseinrichtung eine feste Ausströmöffnung oder Ausströmöffnungen in Form von Dosierbohrungen oder -öffnungen 86 in der hinteren Halterungskonstruktion 84.

Im Betrieb wird Boosterluft in die Rotorbohrung 48 durch den Schlitz 50, den Verteiler 56, die Misch kammer 58 und die Öffnungen 60 vom Strömungsweg 54 eingelassen. Die Luft fließt nach hinten und tritt aus der Bohrung 48 durch die Dosieröffnungen 86 aus. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die so ausge strömte Luft durch den Bohrungshohlraum 88 der Nieder druckturbine geführt, bevor die Luft wieder durch einen Schlitz 90 in den Gasströmungsweg eintritt. Die Luft strömt kontinuierlich, und es ist kein Ventil zur Steuerung ihrer Strömung vorgesehen. Das Vorliegen dieses Basislinienkühlstroms minimiert die thermische Rotorausdehnung bei Maximal-Ausdehnungsbedingungen. Die Nichtverwendung eines Ventils erhöht zudem die Zu verlässigkeit des Systems und stellt sicher, daß Luft während sämtlicher Getriebebetriebsbedingungen in den Bohrungshohlraum strömt, wodurch die Luft frei von un erwünschten Dämpfen gehalten wird. Da ferner die Luft bezüglich des Strömungsweges 54 intern abgelassen und entlüftet wird, ist keine externe Rotorleitung erfor derlich.

Das einzig erforderliche Ventil in der Erfindung ist das Ventil 70, das lediglich die Durchströmung oder Durchflußmenge der Hochdruckluft (w _h) steuert. Ist das Ventil 70 geschlossen, so erreicht die Bohrung 48 keine Heißluft, sondern nur relativ kühle Boosterluft. Wenn das Ventil 70 teilweise geöffnet ist und Verdichterluft durch die Röhre 64 strömt, vermischen sich die Booster luftdurchflußmenge (w _c) und w _h in der Kammer 58 und bilden eine Luftmischung oder eine Gesamtdurchströmung oder Gesamtdurchflußmenge (w _b), die durch die Öffnungen 60 in die Bohrung 48 strömt. Die Dosieröffnungen 86 in der hinteren Halterungskonstruktion 84 sind derart bemessen und dimensioniert, daß die Strömung durch diese Öff nungen dosiert wird, d. h., daß bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen die Größe dieser Durchströmöffnung die Strömungsrate festsetzt. Dies bedeutet, daß der proportionale Anteil der Boosterluft in der Luftmischung vermindert ist, wenn die Durchflußmenge an Verdichterluft erhöht ist. Mit anderen Worten wird beim Zunehmen der Durchflußmenge der Verdichterluft die Durchflußmenge der Boosterluft in einer solche Weise abnehmen, daß bei einer gegebenen Betriebsbedingung der Turbomaschine die gesamte Bohrungsdurchflußmenge relativ konstant, d. h. im Ausführungsbeispiel auf w _b = w _c + w _h bleibt.

Wie erläutert, sind die Öffnungen 86 so dimensioniert, daß die Durchflußmenge oder Durchströmung durch sie dosiert wird. Als alternative Maßnahme zur Beschränkung der Durchflußmenge ist es auch möglich, durch Einstel lung der Abmessungen der Öffnungen 86 in der hinteren Halterungskonstruktion 84 und der Öffnungen 60 in der vorderen Halterungskonstruktion 46 dafür zu sorgen, daß die Öffnungen 60 die Strömung dosieren. Es ist auch mög lich, die Systemkomponenten derart zu bemessend und größenmäßig vorzugeben, daß die Durchströmung und Durchflußmenge auch an anderen Stellen dosiert wird, wobei beispielsweise der Ringraum 90 zwischen der Hoch druckturbinenscheibe 80 und der Welle 22 herangezogen werden kann. Ein Vorteil des bevorzugten dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß durch die Lage der Dosierstelle am hinteren Ende der Rotorbohrung 48 der Druck in der Bohrung 48 erhöht wird, wodurch eine verbes serte Wärmeübertragung mit den Scheiben 40 erzielt wird.

Verschiedenste Steuerparameter und logische Funk tionen können zur Steuerung der Einstellung des Ven tils 70 angewandt werden. So können die Steuerparameter beispielsweise ausgewählte Getriebebetriebsparameter und/ oder Getriebebetriebsbedingungen einschließen. Die Getriebe betriebsparameter können die Getriebekerngeschwindigkeit, die Bläsergeschwindigkeit oder Temperaturen oder Drücke an vorbestimmten Getriebestellen umfassen. Die Getriebe betriebsbedingungen können z. B. die jeweilige Höhe oder die Umgebungstemperatur oder den Umgebungsdruck umfassen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt die verwendete Logik als Eingangsgrößen sowohl die gemessene Höhe als auch die Kerngeschwindigkeit auf. Das Ventil wird bei weniger als 2438 m (8000 Fuß) zur Verhinderung von Reibung zwischen den Schaufelspitzen und Ummantelun gen während rapider Getriebegeschwindigkeitsänderungen geschlossen gehalten. Über 2438 m wird das Ventil so moduliert, daß es eine erhöhte Heizluftdurchflußmenge bei niedrigeren Getriebegeschwindigkeiten und geringerer Höhe und eine geringere Durchflußmenge bei höheren Getriebegeschwindigkeiten und größeren Höhen zuläßt.

Eine Aufgabe der Steueranordnung ist, eine Durch flußmenge an Heiz- oder Wärmeluft zu liefern, die, wenn mit der Kühlluft gemischt und der Rotorbohrung zugeführt, eine ausreichende Änderung der Rotortemperatur liefert, um die gewünschte Änderung im Verdichterschaufelspitzen spalt zu bewirken. Einfach zusammengefaßt, wird dies erreicht, indem (1) Werte ausgewählter Rotorbohrungs parameter wie die Wärmeübertragungsfluiddurchflußmenge (w _b), die Temperatur (T _in) von w _b und die Temperatur des Rotors innerhalb der Bohrung (T) sämtlich bei einer ersten Betriebsbedingung gewonnen und bereitgestellt werden, indem (2) eine gewünschte Rotortemperatur be stimmt wird, und (3) die Temperatur von w _b zur Erzielung der gewünschten Rotortemperatur variiert wird.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung wird der Betrag oder die Menge an zur Erzielung der gewünschten Temperatur w _b erforderlichen Heizluft bestimmt, indem zunächst die Temperatur des Verdichter rotors innerhalb der Bohrung bei einer ersten Betriebs bedingung berechnet wird. (Im folgenden wird der Ausdruck "Rotor" bezüglich des Abschnitts vom Rotor innerhalb der Rotorbohrung 48, einschließlich der Scheiben 40 ver wendet, wenn nicht aus dem Zusammenhang deutlich hervor geht, daß sämtliche rotierende Elemente des Rotors 19 gemeint sind.) Ein herkömmlicher Weg, um diese Berechnung auszuführen, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

(1) n = (T - T _in)/(T _out - T _in),

wobei:
T = Rotortemperatur, die als die Lufttemperatur innerhalb der Rotorbohrung an einer gegebenen Stelle definiert ist. Es sei darauf hingewiesen, daß T nicht die tatsächliche Temperatur des Rotors ist. Jedoch ist es eine brauchbare Näherung, T als Rotortemperatur zu bezeichnen, da sich die Temperatur der Scheiben 40 der Lufttemperatur an ihrem radial inneren Radius 77 nähert. Entsprechend ist der Ausdruck "Rotortemperatur" als die Temperatur der Luft innerhalb der Rotorbohrung definiert.
T _in = die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids. das in die Rotorbohrung eintritt; beispiels weise ist, wenn das Ventil 70 zugedreht ist, T _in = Boosterlufttemperatur.
T _out = Bezugstemperatur, die den Wärmeeingang zum Rotor wiedergibt, wobei in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dies T 3 - die Temperatur am Auslaß 75 des Verdichters 16 - ist.

Der Wert n wird sich mit der Getrieberotorgeschwin digkeit ändern und wird typischerweise während Boden tests empirisch bestimmt, wohingegen der Wert T durch eine direkte Messung gewonnen werden kann. Offensichtlich wird T von der axialen Position abhängen. In der Vergangenheit wurden Werte für n an spezifizierten axialen Positionen als Funktion der Kerngeschwindigkeit (N 2) und 25 Gew.-% bestimmt, wobei 25 Gew.-% (%w 25) die als Prozent der Luftdurchflußmenge durch den Verdichterströmungsweg ausgedrückte Luftdurchflußmenge durch die Bohrung (w _b) ist. Die Fig. 4 zeigt einen typischen graphischen Verlauf, in dem Werte für n an zwei verschiedenen axialen Posi tionen als Funktion von N 2 für den im wesentlichen konstanten Wert von 25 Gew.-% geplottet sind. Die axiale Position B hat größere Werte für n bei einer gegebenen Kerngeschwindigkeit als eine strömungsaufwärts gelegene Position A. Für eine gegebene Kerngeschwindig keit N 2 werden T _in und T 3 leicht berechnet, so daß Gleichung (1) für T gelöst werden kann.

Normalerweise werden T _in (unter der Annahme, daß ausschließlich Boosterluft strömt) und T 3 für einen gegebenen Wert N 2 durch direkte Messung gewonnen.

In der Vergangenheit war es üblich, die Gleichung (1) zur Prädiktion des Werts von T bei einer gegebenen Höhe zu verwenden. Es wurde angenommen, daß solange der Wert 25 Gew.-% bekannt war, die Gleichung (1) gültig bleiben würde, weil der in Fig. 4 gezeigte graphische Verlauf einen Wert für n für einen gegebe nen Wert von 25 Gew.-% ergibt. Es wurde argumentiert, daß das Wärmeübertragungsverhältnis zwischen dem Verdichterströmungsweg und dem Verdichterrotor inner halb der Bohrung sich infolge verminderten Drucks, wie er in ansteigender Höhe auftritt, nicht signifikant ändert.

Es ist jedoch aufgedeckt worden, daß die Vorhersage von T durch dieses Verfahren bei niedrigen Druckbedin gungen ungenau ist. Genauer gesagt scheint ein bislang unerklärter Anstieg in T (bezogen auf den erwarteten Wert für T) mit Ansteigen der Höhe vorzuliegen. Gemäß der Erfindung ist ein genaueres Verfahren zur Vorhersage von T in der Höhe entwickelt und ausgelegt worden.

Der Erfindungsgegenstand zieht die Berechnung von T als Funktion der tatsächlichen Wärmeübertragungsfluid durchflußmenge oder -durchströmung )w _b) des Rotors in Betracht. Die Verwendung von w _b trägt im Gegensatz zur früheren Verwendung des 25 Gew.-%-Wertes der verminder ten Wärmedurchlässigkeit (Wärmetransportkapazität) des Wärmeübertragungsfluids bei herabgesetztem w _b effektiv Rechnung. So kann dieser Aspekt der Erfindung als ein Weg zur Steuerung des Ventils 70 als Funktion der Wärmetransportfähigkeit von w _b angesehen werden. Ent sprechend einer Ausführungsform der Erfindung kann T durch die grundlegende Wärmeübertragungsgleichung für rotierende Trommeln oder Zylinder berechnet werden.

(2) N _u = C R ¹ _x Gr ^m Pr ^y,

wobei:
N _u die durchschnittliche Nussels-Zahl,
R _x die Reynolds-Zahl für die axiale Durchflußmenge oder Durchströmung,
Gr die Grashoff-Zahl und
Pr die Prandl-Zahl sind.

Die Konstante C und die Exponenten l, m und y werden experimentell für die gegebene Geometrie bestimmt.

Die Reynolds-Zahl ist durch die Gleichung:

(3) R _x = 2 w _b r _b/uA _b bestimmt,

wobei:
w _b die Bohrungsdurchströmungsrate,
r _b der Scheibenbohrungsradius 77,
u die dynamische Viskosität der Luft und
A _b die Bohrungsdurchströmungsfläche A _b = π r _b ² sind.

Die Grashoff-Zahl ist durch die Gleichung:

(4) G _r = (pa/u) ² B)T _s - T _a)r _d ⁴

bestimmt, wobei:
p die Luftdichte,
a die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, die aus N 2 (a = 2 π r _d N 2) bestimmt wird,
B der thermische Ausdehnungskoeffizient von Luft,
T _s die Trommeltemperatur (hier zu T 3 angenommen),
T _a die durchschnittliche Temperatur in der Bohrung, T _a = (T _in + T)/2, und
r _d der Trommelradius 79
sind.

Die Prandl-Zahl ist durch die Gleichung:

(5) P _r = uC _p/k

bestimmt, wobei:
C _p die spezifische Wärme der Luft und
k die Wärmeleitfähigkeit von Luft sind.

Die Gleichungen (3), (4) und (5) können jeweils für R _x, G _r und P _r gelöst werden.

Um die Lösung der Gleichung (2) zu vervollständi gen, müssen Werte für C, l, m und y gewonnen werden. Dies geschieht am besten durch eine Technik, die als lineare Regressionsanalyse von Meßdaten bekannt ist. Zunächst werden Daten durch Variation jeder der Variablen R _x und G _r gewonnen. Der Wert von P _r ist eine Konstante für Luft und y weist eine bekannte Größe von 0,4 auf. Die Analyse der linearen Regression ist ein statistisches Daten reduktionsverfahren, das die Beziehung von N _u zu jeder der Variablen R _x und G _r unabhängig isoliert. Ein Ergebnis dieser Regressionsanalyse ist der Wert des Koeffizienten C und der Exponenten l und m. Sind einmal die Werte für C, l, m und y gewonnen worden, so kann N _u aus Gleichung (2) berechnet werden.

Die Berechnung von N _u durch Gleichung (2) kompen siert Druckänderungen in der Höhe, wodurch genauere Ergebnisse gewonnen werden können als durch die Lösung der Gleichung (1) für T. Dies ist für eine genaue Spaltsteuerung während des Höhenbetriebs notwendig.

Der Wert fürT wird aus er Definition von N _u bestimmt, die, wenn für T gelöst, die folgende Glei chung ergibt:

(6) T = T _in + [N _u kA(T _s - T _a)] /r _d w _b c _p,

wobei:
k = Luftleitfähigkeit
A = Wärmeübertragungsoberflächenbereich der Rotortrommel beim Radius 79 (2 π r _d L, wobei L = Länge der Rotorbohrung),
T _s = mittlere Oberflächentemperatur, die durch T 3, die Verdichterauslaß- oder Enddruck- Temperatur approximierbar ist,
T _a = durchschnittliche Bohrungslufttemperatur, T _a = (T _in + T)/2
r _d = mittlerer Radius des Strömungswegs bei 79
w _b = Bohrungsdurchflußmenge
C _p = spezifische Wärme von Luft
sind.

Normalerweise wird Gleichung (6) unter der Voraus setzung T _in = Boosterlufttemperatur gelöst werden. Mit anderen Worten wird die Temperatur T des Rotors auf der Grundlage einer Durchflußmenge oder Durchströmung nur von Boosterluft berechnet. Nach Festsetzung des Werts T für diese Bedingung kann die Heizluft für die fünfte Stufe bestimmt werden. Zunächst jedoch muß die gewünschte oder angestrebte Rotortemperatur (T′) bestimmt werden. Diese Bestimmung hängt von der angestrebten Änderung im Schaufelspitzenspalt ab und kann empirisch durchge führt werden oder analytisch zum Beispiel durch die folgende Näherungsformel erfolgen:

(7) C _1′ = C ₁ = e(T′ - T) (r _d + r _b)/2

wobei:
e der Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung
C ₁ der Spalt bei einer Bohrungstemperatur T
C _1′ der Spalte bei einer Bohrungstemperatur T′
sind.

Als typisches Beispiel sei erwähnt, daß eine Än derung von T um 139 K (250°F) eine Änderung im Schaufelspitzenspalt um 0,254 mm (10 mils) liefern könnte.

Die angestrebte Rotortemperatur T′ wird durch Addition der Änderung von T zu T bestimmt.

Die Temperatur des Wärmeübertragungs- oder transfer fluids wird nun variiert, um die gewünschte Rotortempe ratur T′ zu erzielen. Genauer gesagt, wird die Menge des Heizfluids w _h (Luft der fünften Stufe) variiert, um T′ zu gewinnen. Zunächst muß jedoch Gleichung (6) wieder um gelöst werden - und zwar diesmal für den geforder ten Wert von T _in (im folgenden mit T _in′ bezeichnet). Ist T _in′ einmal bekannt, so wird der erforderliche Wert vonw _h durch Lösen der folgenden Gleichungen bestimmt:

(8) w _c T _c + w _h T _h = w _b T _in'
(9) w _b = w _c + w _h,

wobei:
w _c = Boosterluftdurchflußmenge
w _h = Zweit- oder Zusatzluftdurchflußmenge der fünften Stufe
w _b = Bohrungsdurchflußmenge
T _c = Boosterlufttemperatur
T _h = Lufttemperatur der fünften Stufe
sind.

Die Ventilposition kann dann automatisch zur Gewinnung der erforderlichen Durchströmung der fünften Stufe eingestellt werden, wodurch die angestrebte Rotor temperatur erzielt wird.

Die vorliegende Erfindung wirkt nicht nur auf Spalte im Hochdruckverdichter, sondern auch in der Hochdruckturbine und in der Niederdruckturbine. Im in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel werden nur die Spalte in den beiden Abwärtsstromstufen der Niederdruckturbine beeinflußt.

Dem Fachmann ist klar, daß die vorliegende Erfin dung nicht auf die gezeigten und erläuterten Ausfüh rungsbeispiele beschränkt ist. Beispielsweise kann es möglich sein, die Temperatur von w _b unter Verwendung von mehr als zwei Luftquellen oder durch Ändern der Temperatur einer einzelnen Luftquelle zu variieren.

Auch sei darauf hingewiesen, daß die Dimensionie rungen und proportionalen und strukturellen Beziehungen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, nur beispiels halber zur besseren Darstellung verwendet wurden und nicht als tatsächliche Abmessungen oder strukturelle Proportionsbeziehungen, die in der vorliegenden Er findung zu verwenden sind, angesehen werden können.

Zahlreiche Modifikationen, Änderungen sowie voll ständige und teilweise equivalente Lösungen sind mög lich, ohne von der Erfindungsidee abzuweichen oder den durch die Ansprüche abgedeckten Schutzumfang zu verlassen.

Claims

1. Anordnung zum Steuern der Temperatur des Rotors einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
Einrichtungen (28, 50, 56, 58, 60, 62, 64, 66) zum Zuführen einer Wärmeübertragungsfluiddurchflußmenge (w _b) zum Rotor;
Einrichtungen (70) zum Variieren der Temperatur von w _b; und
Einrichtungen (68) zum Steuern der variierenden Einrichtungen als Funktion der Wärmetransportkapazität von w _b.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtungen einschließen:
Einrichtungen (50, 56, 58, 60) zum Zuführen einer Durchflußmenge eines Kühlfluids (w _c) zum Rotor; und
Einrichtungen (62, 64, 66, 58) zum Zuführen einer Durchflußmenge eines Heizfluids (w _h) zum Rotor.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die variierenden Einrichtungen eine Vorrichtung (70) zum Variieren von w _h einschließen.

4. Anordnung zum Steuern der Temperatur des Rotors einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
Einrichtungen (50, 56, 58, 60) zum Zuführen einer Durchflußmenge eines Kühlfluids (w _c) zum Rotor;
Einrichtungen (62, 64,66, 58) zum Zuführen einer Durchflußmenge eines Heizfluids (w _h) zum Rotor;
Einrichtungen (70) zum Variieren von w _h; und
Einrichtungen (68) zum Steuern der variierenden Einrichtungen;
und daß die gesamte Durchflußmenge (w _b) w _c + w _h bei einer gegebenen Betriebsbedingung der Turbomaschine ungeachtet der Durchflußrate des Heizfluids relativ konstant bleibt; und daß die Steuereinrichtungen Einrich tungen zum Berechnen von w _h als Funktion von w _b auf weisen.

5. Verfahren zum Steuern der Temperatur des Rotors einer Turbomaschine, gekennzeichnet durch:
Liefern einer Wärmeübertragungsfluiddurchflußmenge (w _b) zum Rotor;
Berechnen der Rotortemperatur als Funktion von w _b;
Bestimmen einer angestrebten Rotortemperatur; und
Variieren der Temperatur des Wärmeübertragungsfluids zur Erzielung der angestrebten Rotortemperatur.

6. Verfahren zum Steuern der Temperatur des Rotors einer Turbomaschine, gekennzeichnet durch:
Bereitstellen einer Quelle für Heizfluid;
Bereitstellen einer Quelle für Kühlfluid;
Liefern einer Durchflußmenge (w _b) des Heiz- und Kühlfluids zum Rotor, wobei w _b eine Temperatur (T _in) aufweist;
Berechnen der Rotortemperatur (T) als Funktion von w _b;
Bestimmen einer angestrebten Rotortemperatur; und
Variieren der Menge des Heizfluids zur Erzielung der angestrebten Rotortemperatur.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotortemperatur (T) nach der folgenden Formel berechnet wird: T = T _in + [N _u kA(T _s - T _a)]/r _d w _b c _p,wobei: N _u = durchschnittliche Nusselt-Zahl
k = Luftleitfähigkeit
A = Wärmeübertragungsoberflächenbereich der Rotortrommel
T _s = durchschnittliche Oberflächentemperatur
T _a = durchschnittliche Bohrungslufttemperatur
r _d = mittlerer Radius der Bohrung, und
w _b = Bohrungsdurchflußmenge;
und worin N _u experimentell für unterschiedliche Betriebs bedingungen bestimmt wird und T _s eine Bezugstemperatur ist, die den Wärmeeingang zum Rotor wiederspiegelt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß N _u nach folgender Gleichung berechnet wird: (2) N _u = C R _x ¹ Gr ^m Pr ^ywobei: R _x die Reynolds-Zahl der axialen Durchströmung,
Gr die Grashoff-Zahl,
Pr die Prandl-Zahl und
C, l, m und y Konstanten sind und worin C, l, m und y experimentell bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbomaschinenrotor ein Verdichter eines Gastur binentriebwerks ist und T _out die Temperatur am Auslaß des Verdichters ist.

10. Verfahren zur Vorhersage eines Operationspara meters innerhalb der Bohrung eines Gasturbinentriebwerks, welches eine variable Wärmeübertragungsfluiddurchfluß menge zur Bohrung aufweist, gekennzeichnet durch:
Gewinnen von Werten bei einer ersten Getriebebetriebs bedingung der Höhe und internen Bohrungsbetriebsparameter, die die Rotortemperatur, Wärmeübertragungsfluiddurchfluß rate und die Getriebegeschwindigkeit umfassen;
Festlegen einer Beziehung zwischen dem Wärmeüber tragungsprozeß und diesen Variablen; und
Berechnen einer dieser Variablen bei einer zweiten Betriebsbedingung unter Verwendung dieser Beziehung.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der berechnete Betriebsparameter die Rotortemperatur oder die Wärmeübertragungsfluiddurchflußrate ist.