DE602004006922T2

DE602004006922T2 - Leitschaufelanordnung für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE602004006922T2
Application number: DE602004006922T
Authority: DE
Inventors: Hsin-tuan West Chester Liu; John Doane Loveland Niedermeier; William Andrew Cincinnati Bailey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: JP2005023935A; US6905303B2; EP1493900A2; US20040265124A1; EP1493900B1; CN100443735C; EP1493900A3; JP4482732B2; CN1576611A; DE602004006922D1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere Leitschaufelanordnungen, die in Gasturbinentriebwerken verwendet werden.
Gasturbinentriebwerke enthalten typischerweise ein Verdichtungssystem, das einen einzelnen Verdichter oder mehrere Verdichter, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren, aufweisen kann, um ein Arbeitsfluid, wie z.B. Luft zu verdichten. Die verdichtete Luft wird in eine Brennkammer geleitet, worin sie mit Treibstoff gemischt und gezündet wird, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die zu einer Turbine geleitet werden. Die Turbine entnimmt den Verbrennungsgasen Energie, um den Verdichter anzutreiben sowie um Nutzarbeit zum Antrieb eines Flugzeugs im Flug zu verrichten oder eine Last, z.B. einen elektrischen Generator oder eine Schiffschraube, anzutreiben.
Viele bekannte Verdichter enthalten eine Auslassleitschaufelanordnung. Auslassleitschaufeln weisen tragflügelförmige Querschnitte auf. Bekannte Auslassleitschaufel (Outlet Guide Vane, OGV)-Anordnungen enthalten mehrere in Umfangsrichtung zueinander im Abstand angeordnete Schaufeln, die um den Verdichterauslass herum in Umfangsrichtung zueinander im gleichen Abstand angeordnet sind. Bekannte OGV-Anordnungen enthalten auch mehrere Streben, die eine strukturelle Stütze für das Verdichtersystem und die OGV-Anordnungnen bereitstellen.
Im Betrieb können durch die Streben erzeugte Staus ein ungleichmäßiges Feld stromauf von der Strebe herbeiführen und einen örtlich begrenzten Hochdruckbereich in der Nähe jeder Führungskante einer jeden Strebe erzeugen, was den Triebwerksbetrieb negativ beeinträchtigen kann. Ferner steigt in wenigstens einigen bekannten Gasturbinentriebwerken, wenn die Klappen von verstellbaren Abblas- bzw. Abzapfventilen (Variable Bleed Valve, VBV) geöffnet sind, die Inhomogenität des Stromfelddrucks und der betroffene Bereich dehnt sich weiter in stromaufwärtiger Richtung aus. Es können zusätzliche Spannungen auf eine unmittelbar stromauf von den Auslassleitschaufelanordnungen vorgesehene Rotorlaufschaufelreihe eingeleitet werden.
Um eine Verringerung von Spannungen an den Rotoranordnungen zu fördern, beschränken zumindest einige Triebwerke die Betätigung der VBV-Klappen. Zur Ermöglichung einer Aufrechterhaltung der Spannungen unter vorbestimmten Grenzwerten verändern andere bekannte Triebwerke das Verhältnis der Leitschaufeln erhöhen den Abstand in Strömungsrichtung zwischen der Auslassleitschaufel und der Strebe und/oder verwenden mehrere unterschiedlich geformte Auslassleitschaufeln.
Eine Leitschaufelanordnung für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in EP-A-1,111,191 beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Leitschaufelanordnung für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen, wobei die Leitschaufelanordnung mehrere in Umfangsrichtung zueinander im Abstand angeordnete Leitschaufeln aufweist, die wenigstens eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Leitschaufel aufweisen, wobei die zweite Leitschaufel zwischen der ersten und der dritten Leitschaufel angeordnet ist, die mehreren Leitschaufeln so ausgerichtet sind, dass ein erster Abstand in Umfangsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Leitschaufel definiert ist und ein zweiter Abstand in Umfangsrichtung zwischen der zweiten und der dritten Leitschaufel definiert ist, wobei sich der zweite Abstand in Umfangsrichtung von dem ersten Abstand in Umfangsrichtung unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitschaufel im Wesentlichen parallel zu der dritten Leitschaufel ausgerichtet ist und die erste und die vierte Leitschaufel bezüglich der zweiten und dritten Leitschaufel schräg ausgerichtet sind.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine schematische Ansicht eines Boosters und eines Kernkanals, der eine VBV-Klappe enthält;
3 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Hochdruckverdichters, der mit dem in 1 veranschaulichten Triebwerk verwendet wird;
4 eine Vorderansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Auslassleitschaufelanordnung, die in Zusammenhang mit dem in 1 veranschaulichten Triebwerk eingesetzt wird, in einer Perspektivdarstellung;
5 eine perspektivische Vorderansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Stützstrebenanordnung, die mit dem in 1 veranschaulichten Triebwerk verwendet wird;
6 eine schematische Ansicht einer Auslassleitschaufelanordnung, die mit dem in 1 veranschaulichten Triebwerk verwendet werden kann;
7 eine vergrößerte Ansicht einer Leitschaufel, wie sie in 6 veranschaulicht ist;
8 eine schematische Ansicht, die eine Stapelachse der Leitschaufel aus 7 veranschaulicht.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10, das einen Niederdruckverdichter 12, einen Hochdruckverdichter 14 und eine Brennkammeranordnung 16 enthält. Das Triebwerk 10 enthält ferner eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20, die in einer seriellen, axialen Strömungsanordnung angeordnet sind. Der Verdichter 12 und die Turbine 20 sind über eine erste Welle Schaft 24 miteinander verbunden, während der Verdichter 14 und die Turbine 18 über eine zweite Welle 26 miteinander verbunden sind. In einer Ausführungsform ist das Triebwerk 10 ein GE90-Triebwerk, das von General Electric Company, Cincinnati, Ohio kommerziell verfügbar ist.
2 veranschaulicht einen Kern- bzw. Hauptkanal 13, der den Niederdruckverdichter 12 mit dem Hochdruckverdichter 14 verbindet. Der Hauptkanal 13 enthält mehrere Auslassleitschaufeln 130, eine verstellbare Abblasventilklappe 15, durch die Zapfluft aus dem Gaspfad entnommen wird, und mehrere in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnete Stützstreben 17.
Im Betrieb strömt Luft von einer stromaufwärtigen Seite 32 des Triebwerks 10 durch den Niederdruckverdichter 12, während verdichtete Luft von dem Niederdruckverdichter 12 durch den Hauptkanal 13 zu dem Hochdruckverdichter 14 geliefert wird. Verdichtete Luft wird dann zu einer Brennkammeranordnung 16 geliefert, wo sie mit einem Treibstoff gemischt und gezündet wird. Die Verbrennungsgase werden von dem Verdichter 16 weitergeleitet, um die Turbinen 18 und 20 anzutreiben.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Hochdruckverdichters 14. Der Verdichter 14 enthält mehrere Stufen 50, die jede eine Reihe von Rotorlaufschaufeln 52 und eine Reihe von Statorleitschaufeln 74 enthält. Die Rotorschaufeln 52 werden von Rotorlaufscheiben 58 getragen und sind mit der Rotorwelle 26 verbunden. Ein Statorgehäuse 62 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Rotorlaufschaufeln 52 und die Statorleitschaufelnanordnungen 56 herum, so dass die Statorleitschaufeln 74 von dem Gehäuse 62 getragen werden.
4 ist eine vordere perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Auslassleitschaufelanordnung 100, die mit dem (in 1 gezeigten) Triebwerk 10 verwendet wird. Die Auslassleitschaufelanordnung (OGV, Outlet Guide Vane) enthält mehrere Auslassleitschaufeln 130, die sich im Wesentlichen radial zwischen einem oberen und einem unteren Montageflansch 110 bzw. 120 erstrecken und in Umfangsrichtung rund um den Verdichter 14 zueinander im Abstand angeordnet sind. In einer Ausführungsform ist die OGV-Anordnung 100 in Form von bogenförmigen Segmenten hergestellt, in denen die Flansche 110 und 120 mit den Leit schaufeln 130 verbunden sind. In einer weiteren Ausführungsform ist die OGV-Anordnung als eine aus einem Stück bestehende, integrale Anordnung ausgebildet.
5 zeigt eine vordere perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Trag- bzw. Stützstrebenanordnung 200, die in dem (in 1 veranschaulichten) Triebwerk 10 verwendet wird. Die Stützstrebenanordnung 200 enthält mehrere Streben 230, die sich zwischen einem oberen und einem unteren Montageflansch 210, bzw. 220 erstrecken. Die Strebenanordnung 200 stellt eine von verschiedenen Rahmen- und Stützanordnungen des Triebwerks 10 dar, die verwendet werden, um eine Aufrechterhaltung einer Ausrichtung verschiedener Komponenten innerhalb des Triebwerks 10 zu unterstützen. Genauer gesagt, verbinden solche Rahmen- und Stützanordnungen stationäre Komponenten miteinander und stellen eine Rotorlagerbefestigung bereit. Die Stützstrebenanordnung 200 ist neben einem (nicht gezeigten) Auslass des Verdichters 14 angeschlossen, so dass die Streben 230 in Umfangsrichtung im Abstand zueinander rund um den Auslass des Verdichters 14 angeordnet sind und sich quer durch den Strömungspfad 140 von dem Auslass des Verdichters 14 erstrecken. Die OGV-Anordnung 100 ist stromauf von der Stützstrebenanordnung 200 angeordnet und wird von dieser getragen gestützt. Die Leitschaufeln 130 erstrecken sich von dem Auslass des Verdichters 14 ebenfalls quer durch den Strömungspfad 140.
6 zeigt eine schematische Ansicht einer Auslassleitschaufelanordnung 500, die in dem (in 1 veranschaulichten) Gasturbinentriebwerk 10 verwendet werden kann. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Leitschaufel 502, die in der Leitschaufelanordnung 500 enthalten ist. Die Leitschaufelanordnung 500 enthält mehrere in Umfangsrichtung zueinander im Abstand angeordnete Leitschaufeln 502, die sich quer über den Verdichterauslassstrompfad 140 erstrecken. Jede Leitschaufel 502 enthält ein Paar Seitenwände 504 und 506, die an einer Vorderkante 508 und einer Hinterkante 510 miteinander verbunden sind. Eine Sehnenlinie 512 für jede Leitschaufel 502 erstreckt sich zwischen jeder Vorder- und Hinterkante 505 bzw. 510.
8 zeigt eine schematische Ansicht der Leitschaufel 502, die eine Stapelachse 516 veranschaulicht. Die Seitenwände 504 und 506 erstrecken sich von einer inneren Basis 507 zu einem äußeren Ende (nicht gezeigt) radial nach außen. Der in 7 gezeigte Querschnitt liegt senkrecht zu den Seitenwänden 504 und 506. An jedem solchen Querschnitt von der Basis 507 bis zu dem äußeren Ende der Leitschaufel 502 ist eine Mittellinie 514 von der Vorderkante 508 zu der Hinterkante 510 definiert, die die Leitschaufel im Wesentlichen in zwei Hälften unterteilt. Ein Stapelpunkt 513 ist entlang der Mittellinie 514 im Wesentlichen auf halbem Weg zwischen der Vorderkante 508 und der Hinterkante 510 definiert. Eine Stapelachse 516 erstreckt sich entlang einer durch die Stapelpunkte gebildeten Linie entlang einer Längserstreckung der Leitschaufel 502 von der Basis 507 zu dem äußeren Ende der Leitschaufel 502.
Die Leitschaufelanordnung 500 ist innerhalb des (in 2 veranschaulichten) Kernkanals 13 angeordnet, der auch mehrere sich quer durch den Auslassströmungspfad 140 erstreckende Streben 520 enthält. Jede Strebe 520 ist stromabwärts von den Leitschaufeln 502 angeschlossen, und jede enthält eine Vorderkante 522 und eine Hinterkante 524. Eine Sehnenlinie 526 für jede Strebe 520 erstreckt sich zwischen der Vorder- und der Hinterkante 522 bzw. 524 einer jeden Strebe. Genauer gesagt, sind die Streben 520 quer zu dem Strömungspfad 140 positioniert, so dass ein in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Streben 520 definierter Abstand 528 in dem gesamten Kernkanal 13 im Wesentlichen einheitlich ist.
Im Allgemeinen sind die in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Streben 502 definierten Abstände 530 rund um die Leitschaufelanordnung 500 im Wesentlichen gleich groß. Unmittelbar stromauf von jeder entsprechenden Strebe 520 sind jedoch vier benachbarte Leitschaufeln 532, 534, 536 und 538 mit uneinheitlichen Abständen und mit Versatz zueinander angeschlossen, wie dies detaillierter unten beschrieben ist. Genauer gesagt sind die Leitschaufeln 532, 534, 536 und 538, obwohl die Leitschaufeln 532, 534, 536 und 538 mit anderen Leitschaufeln 502 identisch ausgestaltet sind, anders ausgerichtet als die Leitschaufeln 502. Insbesondere ist der zwischen den Leitschaufeln 532 und 534 in Umfangsrichtung definierte erste Abstand 540 im Wesentlichen gleich dem einheitlichen Abstand 530. Ein zwischen den Leitschaufeln 534 und 536 in Umfangsrichtung definierter zweiter Abstand 542 ist jedoch von dem ersten Abstand 540 in Umfangsrichtung verschieden. In der beispielhaften Ausführungsform ist der zweite Abstand 542 in Umfangsrichtung um wenigstens dreißig Prozent weiter als der erste Abstand 540 in Umfangsrichtung. Ein zwischen der dritten Leitschaufel 536 und der benachbarten Leitschaufel 538 definierter dritter Abstand 544 in Umfangsrichtung ist im Wesentlichen gleich groß wie der erste Abstand 540 in Umfangsrichtung.
Die Leitschaufeln 532, 534, 536 und 538 sind ebenfalls in Umfangsrichtung ausgerichtet, so dass die Stapelachse, die sich durch die zweite Leitschaufel 534 erstreckt, in der Richtung des Strömungspfads 140 mit einer Vorderkante 522 zumindest einer der Streben 520 im Wesentlichen auf einer Linie liegt. Obwohl die Leitschaufeln 534 und 536 im Wesentlichen parallel zu den restlichen Leitschaufeln 502 ausgerichtet sind, sind darüber hinaus die erste Leitschaufel 532 und die vierte Leitschaufel 538 um einen Winkel θ, der bezüglich der Leitschaufeln 502 gemessen wird, versetzt oder abweichend ausgerichtet. Entsprechend sind die erste und die vierte Leitschaufel 532 bzw. 538 bezüglich der Ausrichtung der restlichen Leitschaufeln 502 schräg orientiert. In einer Ausführungsform sind die Leitschaufeln 532 und 538 um einen Winkel θ von zumindest ungefähr einem Grad versetzt angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Leitschaufel 532 um einen Winkel θ von zumindest ungefähr einem Grad minus versetzt angeordnet, so dass die erste Leitschaufel 532 bezüglich der Strömungspfadachse offener ausgerichtet ist, während die vierte Leitschaufel 538 um einen Winkel θ von zumindest ungefähr einem Grad plus versetzt angeordnet ist, so dass sich die vierte Leitschaufel 538 bezüglich der Strömungspfadachse in einer geschlossenen Ausrichtung befindet.
Im Betrieb stellt der vergrößerte Abstand 542 in Umfangsrichtung zwischen dem Leitschaufeln 534 und 536 einen zusätzlichen Leitungsraum für die Luftströmung, die jede Strebe 520 passiert, zur Verfügung und erniedrigt hierbei den Druckunterschied, der auf beiden Seiten jeder Strebe 520 herrscht. Genauer gesagt, erleichtert der vergrößerte Abstand 542 eine Reduktion der ungleichen Druckfeldverteilung aufgrund der Ankopplung der Leitschaufelstreben. Zu sätzlich wird aufgrund des vergrößerten Abstands 542 in Umfangsrichtung die Anzahl von Leitschaufeln 502, die in einer Anordnung 500 rund um den Umfang enthalten sind, reduziert, womit das Gesamtgewicht der Leitschaufelanordnung 500 reduziert wird. In einer Ausführungsform sind über 5% weniger Leitschaufeln in der Leitschaufelanordnung 500 enthalten.
Die vorstehend beschriebene Auslassleitschaufelanordnung liefert ein kosteneffizientes Verfahren zur Milderung der Druckfeldeffekte aufgrund der dichten Kopplung zwischen der OGV-Stufe und der Stützstrebenanordnung. Die Vorrichtung ergibt eine wesentliche Reduktion der maximalen Laufschaufelspannungen für die Laufschaufelreihe unmittelbar stromauf von der Leitschaufelanordnung mit den zusätzlichen Vorteilen einer verbesserten Triebwerksleistung und einer Reduktion des Triebwerksgewichts und der Triebwerkskosten.
Beispielhafte Ausführungsformen von Leitschaufelanordnungen sind oben detailliert beschrieben. Die Leitschaufelanordnungen sind nicht auf die spezifischen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, beschränkt, so dass vielmehr Komponenten jeder Anordnung unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden können. Z.B. kann jede Komponente der Leitschaufelanordnung auch in Kombination zusammen mit anderen Leitschaufelkomponenten verwendet werden.

Claims

Leitschaufelanordnung (100) für ein Gasturbinentriebwerk (10), wobei die Leitschaufelanordnung (100) mehrere in Umfangsrichtung zueinander im Abstand angeordnete Leitschaufeln (502) aufweist, die zumindest eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Leitschaufel (532, 534, 536, 538) aufweisen, wobei die zweite Leitschaufel (534) zwischen der ersten und der dritten Leitschaufel (532, 536) angeordnet ist, die mehreren Leitschaufeln (502) so ausgerichtet sind, dass ein erster Abstand (540) in Umfangsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Leitschaufel (532, 534) definiert ist und ein zweiter Abstand (542) in Umfangsrichtung zwischen der zweiten und der dritten Leitschaufel (534, 536) definiert ist, wobei der zweite Abstand (542) in Umfangsrichtung von dem ersten Abstand (540) in Umfangsrichtung verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitschaufel (534) im Wesentlichen parallel zu der dritten Leitschaufel (536) ist und die erste und die vierte Leitschaufel (532, 538) bezüglich der zweiten und dritten Leitschaufel (534, 536) schräg ausgerichtet sind.
Leitschaufelanordnung (100), nach Anspruch 1, die ferner mehrere in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnete Stützstreben (520) aufweist, die stromab von den mehreren Leitschaufeln (502) derart positioniert sind, dass eine Stapelachse (513), die sich durch die zweite Leitschaufel (534) erstreckt, in der Richtung des Strompfads (140) mit einer Vorderkante (522) zumindest einer der mehreren Streben (520) im Wesentlichen auf einer Linie liegt.
Leitschaufelanordnung (100) nach Anspruch 2, wobei die vierte Leitschaufel (538) neben der dritten Leitschaufel (536) angeordnet ist, so dass sich die dritte Leitschaufel (536) zwischen der zweiten und der vierten Leitschaufel (534, 538) befindet und so dass ein dritter Abstand in Umfangsrichtung (544) zwischen der dritten und vierten Leitschaufel (536, 538) definiert ist, der im Wesentlichen mit dem ersten Abstand in Umfangsrichtung (540) übereinstimmt.
Leitschaufelanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die erste und die vierte Leitschaufel (502, 504) um wenigstens ca. einen Grad gegen die zweite und die dritte Leitschaufel (534, 536) versetzt sind.
Leitschaufelanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei der zweite Abstand in Umfangsrichtung (542) um wenigstens dreißig Prozent weiter ist als der erste Abstand (540) in Umfangsrichtung.