DE60023093T2

DE60023093T2 - Inverter-Kanalanordnung für Doppelbläser Konzept

Info

Publication number: DE60023093T2
Application number: DE60023093T
Authority: DE
Inventors: Daniel P. Hobe Sound Guinan; Gary M. Palm Beach Gardens Perkins; David J. Palm Beach Gardens Huber
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: JP2001207911A; KR20010070361A; EP1113162A3; EP1113162B1; DE60023093D1; US6351940B1; EP1113162A2

Description

Die Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere Gasturbinenmaschinen, die eine sehr hohe Luftströmung durch deren Bläserbereich erzeugen.
Bei typischen Flugzeuggasturbinen-Triebwerken wird ein Bläser strömungsaufwärts des Niedrigverdichters zum Maximieren der Schubmenge verwendet, die ein Triebwerk bei einer vorgegebenen Brennstoffverbrauchsrate erzeugen kann. Durch Erhöhen der Größe des Bläsers kann der von einem Triebwerk erzeugte Schub signifikant erhöht werden, ohne signifikant den Brennstoffverbrauch der Maschine zu erhöhen. Deshalb haben Konstrukteure von Flugzeuggasturbinen-Triebwerken typischerweise den Durchmesser des Bläsers bei Gasturbinenmaschinen immer dann erhöht, wenn das Bedürfnis nach zusätzlichem Schub aufgetreten ist.
Jedoch trafen die Triebwerkskonstrukteure mit dem Größerwerden der Bläserdurchmesser auf einige Probleme. Ein Problem ist, dass, wenn die einzelnen Bläserlaufschaufeln länger werden, die Dicke jeder Laufschaufel vergrößert werden muss, um die durch die längere Laufschaufel erzeugte zusätzliche Zentripetalkraft aufzunehmen. In der Folge müssen die Laufschaufeln schwerer werden, um aus den gleichen Materialien hergestellt zu sein, um die zusätzliche Belastung jeder Laufschaufel an deren Wurzel und Plattform aufzunehmen, oder die Laufschaufeln müssen aus leichteren, teureren Materialien hergestellt werden. Da es eines der Ziele der Konstrukteure von Flugzeuggasturbinen-Triebwerken ist, sowohl das Gewicht, als auch die Kosten zu minimieren, wird keine dieser Optionen als wünschenswert angesehen.
Ein weiteres Problem ist, dass der Durchmesser von Laufschaufeln an manchen Triebwerken den Punkt erreicht hat, wo die Geschwindigkeiten der Spitzen der Bläserlaufschaufeln nahe bei Überschall sind. Wenn die Spitzengeschwindigkeiten Überschallgeschwindigkeiten erreichen, werden zusätzliche Belastungen in die Laufschaufeln eingebracht und deshalb müssten die Laufschaufeln neu ausgelegt werden, um derartige zusätzliche Belastungen zu tolerieren. Diese Art von Neuauslegung erfordert aufwendiges Konstruieren und Testen, was zusätzlich die Kosten von Flugzeugtriebwerken mit höherem Schub erhöht.
Ein zusätzliches Problem ist, dass es mit der Zunahme der Länge einer jeden Laufschaufel schwieriger wird, die Laufschaufel so auszulegen, dass sie Luft effizient entlang ihrer gesamten Länge strömen lässt, weil die Relativgeschwindigkeit einer jeden Laufschaufel in der Nähe von deren Wurzeln viel langsamer ist als die Geschwindigkeit der Laufschaufel in der Nähe von deren Spitze. Außerdem muss mit der Zunahme des Bläserdurchmessers der Boden-Spielraum für an den Flächen angebrachte Triebwerke erhöht werden, um zu verhindern, dass die Triebwerksgondeln während Starts und Landungen gegen die Landebahn schlagen.
Benötigt wird ein Mittel zum Erhöhen von Luftströmung durch den Bläserbereich einer Gasturbinenmaschine ohne notwendigerweise den Durchmesser des Bläsers zu erhöhen.
US-A-5058379 beschreibt ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung zielt deshalb darauf ab, ein Mittel zum Erhöhen von Luftströmung durch den Bläserbereich einer Gasturbinenmaschine zu liefern.
Breit ausgedrückt liefert die Erfindung ein Antriebssystem gemäß Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine isometrische Ansicht des Kanalsystems der vorliegenden Erfindung und zeigt einen darin angeordneten Bläser.
2 ist eine Draufsicht, die den primären und sekundären Einlass des Kanalsystems der vorliegenden Erfindung zeigt und einen darin angeordneten Blaser zeigt.
3 ist eine entlang der Linie 3-3 von 2 genommene Ansicht.
4 ist eine entlang Linie 4-4 von 2 genommene Ansicht.
5 ist eine Schnittansicht des Kanalsystems der vorliegenden Erfindung, die entlang Linie 5-5 von 2 genommen ist.
6 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 6-6 von 4 genommen ist.
7 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 7-7 von 4 genommen ist.
8 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 8-8 von 4 genommen ist.
9 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 9-9 von 4 genommen ist.
10 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 10-10 von 4 genommen ist.
11 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 11-11 von 4 genommen ist.
12 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 12-12 von 4 genommen ist.
13 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 13-13 von 4 genommen ist.
14 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 14-14 von 4 genommen ist.
15 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 15.15 von 4 genommen ist.
16 zeigt eine Ansicht des Einlasses eines typischen Flugzeuggasturbinen-Triebwerks.
17 zeigt eine Ansicht des Einlasses eines Flugzeuggasturbinen-Triebwerks, das das Kanalsystem der vorliegenden Erfindung inkorporiert.
Das Kanalsystem 10 der vorliegenden Erfindung, wie in der isometrischen Ansicht von 1 gezeigt, soll an einem Gasturbinentriebwerk verwendet werden, das zwei mit einer gemeinsamen Welle verbundene Bläser hat. Wie in 2 bis 4 gezeigt, weist das Kanalsystem 10 einen einzigen primären Einlasskanal 12 und vier primäre Abgabekanäle 14, 16, 18, 20 auf. Der primäre Einlasskanal 12 weist eine kreisförmige Einlassöffnung 22, wie in 6 gezeigt, auf, und der primäre Einlasskanal 12 hat über seine Länge einen konstanten Strömungsquerschnitt. Jeder der primären Abgabekanäle 14, 16, 18, 20 ist integral mit dem primären Einlasskanal 12, und jede kreisförmige Einlassöffnung 22 ist an einem Ende des primären Einlasskanals 12 mit einem Abstand von den primären Abgabekanälen 14, 16, 18, 20 angeordnet.
Jeder der primären Abgabekanäle 14, 16, 18, 20 hat eine primäre Abgabeöffnung 24, 26, 28, 30, wie in 15 gezeigt, die an einem Ende davon mit Abstand von dem primären Einlasskanal 12 angeordnet ist. Jeder der primären Abgabekanäle 14, 16, 18, 20 hat einen konstanten Strömungsquerschnitt über seine Länge, und jeder der primären Abgabekanäle 14, 16, 18, 20 hat einen Strömungsquerschnitt, der gleich ein Viertel (0,25) des Strömungsquerschnitts des primären Einlasskanals 12 ist. Ähnlich hat jede der primären Abgabeöffnungen 24, 26, 28, 30 einen Strömungsquerschnitt, der gleich ein Viertel (0,25) des Strömungsquerschnitts der kreisförmigen Einlassöffnung 22 ist.
Wie in 2 bis 4 gezeigt, weist das Kanalsystem 10 der vorliegenden Erfindung auch zwei sekundäre Einlasskanäle 32, 34 und einen einzigen sekundären Abgabekanal 36 auf. Jeder der sekundären Einlasskanäle 32, 34 ist integral mit dem sekundären Abgabekanal 36, und jeder der sekundären Einlasskanäle 32, 34 hat eine an einem Ende davon mit Abstand zu dem sekundären Abgabekanal 36 angeordnete Einlassöffnung 38, 40, und der sekundäre Abgabekanal 36 hat eine kreisförmige sekundäre Abgabeöffnung 42, die an einem Ende davon mit Abstand von den sekundären Einlasskanälen 32, 34 angeordnet ist. Der Strömungsquerschnitt des sekundären Abgabekanals 36 ist entlang von dessen Länge konstant, und der Strömungsquerschnitt von jedem der sekundären Einlasskanäle 32, 34 ist entlang von dessen Länge konstant. Jeder der sekundären Einlasskanäle 32, 34 hat einen Strömungsquerschnitt, der gleich ein halb (0,5) des kreisförmigen sekundären Abgabekanals 36 ist. Ähnlich ist der Strömungsquerschnitt von jeder sekundären Einlassöffnung 38, 40 gleich ein halb (0,25) des Strömungsquerschnitts der kreisförmigen sekundären Abgabeöffnung 42.
Wie in 5 gezeigt, sind die kreisförmige Einlassöffnung 22 und die kreisförmige Abgabeöffnung 42 koaxial und das Zentrum 44 der kreisförmigen Einlassöffnung 22 und das Zentrum 46 der kreisförmigen Abgabeöffnung 42 sind beide an einer Bezugsachse 48 angeordnet, die koaxial zu der in 5 gezeigten Welle ist. Wie in 6 gezeigt, sind die sekundären Einlassöffnungen 38, 40 relativ zu der Bezugsachse 48 von der kreisförmigen Einlassöffnung 42 radial nach außen angeordnet. Wie in 15 gezeigt, sind die primären Abgabeöffnungen 24, 26, 28, 30 relativ zu der Bezugsachse 48 radial nach außen von der kreisförmigen Abgabeöffnung 42 angeordnet.
Wie in 5 gezeigt, kann die vorliegende Erfindung in Kombination mit einer Gasturbinenmaschine 100 mit zwei Bläsern 102, 104 verwendet werden, die mit einer einzigen Welle verbunden sind, als Teil eines Antriebssystems, bei dem jeder der Bläser 102, 104 im Wesentlichen den gleichen Durchmesser hat. Vorzugsweise ist der Abstand 50 zwischen den Bläsern 102, 104 gleich drei Viertel (0,75) des Durchmessers 52 der Bläser 102, 104. Wie in 6 – 15 gezeigt, liefert das Kanalsystem 10 der vorliegenden Erfindung einen glatten Übergang von den Einlassöffnungen 22, 38, 40 zu den Abgabeöffnungen 24, 26, 28, 30, 42. Im Ergebnis kann die gleiche Luftströmung wie die Luftströmung, die von einem typischen Flugzeug mit einem einzigen großen Bläser erzeugt wird, wie in 16 gezeigt, durch die Verwendung des Kanalsystems 10 der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einer Gasturbinenmaschine erreicht werden, die zwei kleinere Bläser hat, wie in 5 gezeigt. Der sich ergebende Maschineneinlass ist in 17 gezeigt. Der Fachmann wird schnell erkennen, dass durch das Ersetzen eines großen Bläsers durch zwei Bläser mit kleinerem Durchmesser diese gleiche Luftströmung bei viel langsameren Laufschaufelspitzengeschwindigkeiten erzeugt werden kann, während gleichzeitig die Kraftbelastung auf einzelne Bläserlaufschaufeln verringert ist.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform davon gezeigt und beschrieben wurde, sollten die Fachleute erkennen, dass verschiedene andere Änderungen und Auslassungen in Form und Detail der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren Umfang abzuweichen. Insbesondere sollte es offensichtlich sein, dass das Kanalsystem 10 der vorliegenden Erfindung umgedreht werden könnte, so dass jede der Abgabeöffnungen 24, 26, 28, 30, 42 eine Einlassöffnung wird und dass jede der Einlassöffnungen 22, 38, 40 eine Abgabeöffnung wird. Das ist durch die vorliegende Erfindung angedacht und es sollte verstanden werden, dass die Begriffe "Einlass" und "Auslass" in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung lediglich zu Zwecken der Klarheit eingebracht wurden, und den Umfang der beanspruchten Erfindung nicht beschränken sollen.

Claims

Antriebssystem aufweisend: eine Gasturbinenmaschine (100) mit zwei Bläsern (102, 104), die mit einer einzigen Welle verbunden sind, wobei jeder der Bläser im Wesentlichen den gleichen Durchmesser hat, einen einzigen primären Einlasskanal (12) und eine Mehrzahl von primären Abgabekanälen (14, 16, 18, 20), wobei jeder der primären Abgabekanäle (14, 16, 18, 20) integral mit dem primären Einlasskanal (12) ist, wobei der primäre Einlasskanal (12) eine kreisförmige primäre Einlassöffnung hat, die an einem Ende davon mit Abstand den primären Abgabekanälen (14, 16, 18, 20) angeordnet ist, und wobei jeder der primären Abgabekanäle (14, 16, 18, 20) eine primäre Abgabeöffnung hat, die an einem Ende davon mit Abstand von dem primären Einlasskanal (12) angeordnet ist; eine Mehrzahl von sekundären Einlasskanälen (32, 34) und einen einzigen sekundären Abgabekanal (36), wobei jeder der sekundären Einlasskanäle (32, 34) integral mit dem sekundären Abgabekanal (36) ist, wobei jeder der sekundären Einlasskanäle (32, 34) eine an einem Ende davon mit Abstand von dem sekundären Abgabekanal (36) angeordnete sekundäre Einlassöffnung hat, und wobei der sekundäre Abgabekanal (36) eine kreisförmige sekundäre Abgabeöffnung hat, die an einem Ende davon mit Abstand von den sekundären Einlasskanälen (32, 34) angeordnet ist; eine Bezugsachse (48); wobei das Zentrum der kreisförmigen primären Einlassöffnung das Zentrum der kreisförmigen sekundären Abgabeöffnung beide an der Bezugsachse (48) angeordnet sind, wobei die sekundären Einlassöffnungen radial außerhalb von der kreisförmigen primären Einlassöffnung bezogen auf die Bezugsachse (48) angeordnet sind, wobei die primären Abgabeöffnungen bezogen auf die Bezugsachse radial außerhalb von der kreisförmigen sekundären Abgabeöffnung angeordnet sind, wobei einer der Bläser (102, 104) in der kreisförmigen primären Einlassöffnung angeordnet ist, und der andere Bläser in der kreisförmigen sekundären Abgabeöffnung ange ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre und die sekundäre Abgabeöffnung in einen gemeinsamen Sammelraum abgeben, der strömungsaufwärts von dem Verdichterabschnitt der Gasturbinenmaschine (100) angeordnet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, aufweisend vier primäre Abgabekanäle (14, 16, 18, 20) und zwei sekundäre Einlasskanäle (37, 34).
Antriebssystem nach Anspruch 2, wobei der Strömungsquerschnitt des primären Einlasskanals (12) entlang der Länge davon konstant ist, wobei der Strömungsquerschnitt von jedem der primären Abgabekanäle (14, 16, 18, 20) entlang von dessen Länge konstant ist und wobei der Strömungsquerschnitt einer jeden primären Abgabeöffnung gleich ein Viertel des Strömungsquerschnitts der kreisförmigen Einlassöffnung ist.
Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei der Strömungsquerschnitt des sekundären Abgabekanals (36) entlang von dessen Länge konstant ist, wobei der Strömungsquerschnitt von jedem der sekundären Einlasskanäle (32, 34) entlang von dessen Länge konstant ist und wobei der Strömungsquerschnitt einer jeden sekundären Einlassöffnung gleich ein halb des Strömungsquerschnitts der kreisförmigen sekundären Abgabeöffnung ist.