DE60312409T2

DE60312409T2 - Turbinenstarter mit Schaufelspitzenluftbeaufschlagung für ein Turbinentriebwerk

Info

Publication number: DE60312409T2
Application number: DE60312409T
Authority: DE
Inventors: David L. Snohomish Daggett
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: EP1331379A3; US6644033B2; US20030131607A1; DE60312409D1; EP1331379A2; EP1331379B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum Starten von Turbinentriebwerke und im Speziellen einen Spitzen beaufschlagenden Luftstarter für einen Turbinentriebwerk.
Die Erfindung betrifft Turbinentriebwerke und im Besonderen Gasturbinentriebwerke, die für den Vortrieb von Flugzeugen mit hohen Geschwindigkeiten dienen. Solche Triebwerke schließen einen Luftpresser, eine Verbrennungsvorrichtung und eine Gasturbine ein, die kompakt in Serie angeordnet sind, um Gewicht, Länge über alles und Durchmesser der Einheit minimal zu halten. Diese Teile können entweder in den Flügel eines Flugzeugs oder zentral in das Flugzeug selbst montiert und von einem Außengehäuse mit Stromlinienform, welches die Luftströmung durch das Triebwerk leitet, getragen werden.
Die Turbine ist angetrieben durch die heißen Gase, die vom Kompressor und von dem Verbrennungsapparat geliefert werden, und die wenigstens ausreichende Leistung aus diesen Gasen extrahiert, um den Kompressor anzutreiben. Der Rest der zur Verfügung stehenden Energie kann dazu benutzt werden, das Flugzeug vorwärts zu treiben durch das Ausströmen der Gase aus einem Antriebsstrahl hinter der Turbine.
Da das Turbinentriebwerk sich der Energie bedient, die von der Turbine geliefert wird, um den Luftpresser anzutreiben, kann es nicht selbst starten, so dass Vorrichtungen vorgesehen werden müssen, um die Turbokompressorwelle in Drehung zu versetzen. Das Starten von Gasturbinenmotoren auf eine effiziente Art und Weise war eine Herausforderung seit Beginn der Benutzung von Turbinentriebwerke. Die Starter werden relativ selten benutzt, müssen große Leistung umsetzen und müssen mit dem Turbinentriebwerk als totes Gewicht mitgeführt werden.
Leichte Luftbeaufschlagungsstarter sind in der Vergangenheit bereits benutzt worden, waren aber unglücklicherweise nicht effizient in ihrer Nutzung der zugelieferten Pressluft. Heutige Luftstarter sind effizient, jedoch aufwändig bei Gewicht, Getriebekomplexität und Kosten. Heutige Luftstarter unterliegen zudem mechanischen Störungen.
Die US-A 3,323,775 offenbart ein Verfahren zum Starten einer Gasturbine mit einem mehrstufigen Kompressor und einer Hochdruckturbine, umfassend das Zurverfügungstellen eines Kanals in einem Turbinengehäuse, das Einfügen von wenigstens einem Turbinenschaufelelement auf die Spitze von wenigstens einer von einer Vielzahl von Turbinenschaufeln der Hochdruckturbine und das Zurverfügungstellen einer Menge von Pressluft durch den genannten Kanal des Turbinengehäuses, das Expandieren der Menge von Pressluft in eine Serie von Diffusoren und das Beaufschlagen des wenigstens einen Turbinenschaufelelements mit der expandierten Menge Pressluft, um die Hochdruckturbine in Drehung zu versetzen.
Die US-A 2,937491 offenbart eine Gasturbine, umfassend ein Turbinengehäuse mit einem Kanal, eine Pressluftquelle, die an das Turbinengehäuse gekoppelt ist und den genannten Kanal an ihrer äußeren Peripherie einschließt, einen mehrstufigen Axialkompressor mit wenigstens einer integrierten Kompressor-/Turbinenschaufel, die in unmittelbarer Nähe des genannten Kanals positioniert ist, wobei die genannte integrierte Kompressor-/Turbinenschaufel wenigstens ein Turbinenschaufelelement umfasst, das mit dem Deckband verbunden ist, wobei die genannte Pressluftquelle dazu benutzt wird, eine Menge von Pressluft durch den genannten Kanal einzuführen, um das wenigstens eine Turbinenschaufelelement zu beaufschlagen, um die Gasturbine zu starten.
Es ist äußerst wünschenswert, ein verbessertes System und ein verbessertes Verfahren zum Starten von Turbinentriebwerken anzugeben. Es ist ebenso wünschenswert, das Design des beaufschlagenden Luftstarters für Turbinentriebwerke zu vereinfachen und Gewicht, Komplexität und Kosten zu reduzieren.
Zusammenfassung der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren zum Starten von Gasturbinen und eine Gasturbine an, wie in den Patentansprüchen beansprucht.
Die vorliegende Erfindung umfasst das Einführen eines Kanals in das Turbinengehäuse, durch den Pressluft von einer Pressluftquelle auf die Hochdruckturbine (HP) geführt werden kann, wodurch der HP-Kompressor gedreht wird und das Gasturbinentriebwerk starten lässt. Die Pressluft wird durch einen Kanal in das Turbinengehäuse eingeführt und durch eine Serie von Diffusoren expandiert/beschleunigt.
Diese Hochgeschwindigkeitsluft beaufschlagt wenigstens ein Turbinenschaufelelement, welches auf der Spitze einer HP-Turbinenschaufel positioniert ist. Diese Turbinenschaufelelemente sind vorzugsweise Impulstyp-Turbinenschaufelelemente. Nachdem die kinetische Energie durch die Turbinenschaufelelemente aus der Hochgeschwindigkeitsluft extrahiert ist, wird das Gas durch eine Serie von Öffnungen stromaufwärts der Turbinenschaufeln geleitet und auf die Profilsektion der Turbinenschaufel gerichtet, um jeden Rest an kinetischer Energie zu extrahieren.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 zeigt ein Hochdruckturbinentriebwerk gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Gasturbinentriebwerks der 1.
3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in 2.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines anderen Teils des Gasturbinentriebwerks gemäß einer weiteren Ausführungsform und
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 4
Beste Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren werden die selben Bezugszeichen verwendet, um identische Komponenten in den verschiedenen Ansichten zu bezeichnen. Die vorliegende Erfindung ist dargestellt im Hinblick auf ein Hochdruckgasturbinentriebwerk, speziell geeignet für die Flugzeugindustrie. Obwohl die vorliegende Erfindung für den bevorzugten Anwendungsfall dargestellt und erläutert wird, ist es klar, dass die Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt ist, sondern für alle Arten von Turbinentriebwerken benutzt werden kann, unabhängig von Anwendung oder Einsatz.
Bekannte Turbinentriebwerke benutzen Pressluft, um einen Luftstarter anzutreiben, der dann die Kompressor/Turbinenwelle antreibt, um das Turbinentriebwerk zu starten. Diese Luftstarter sind komplex und relativ schwer. Die Starter sind während des Betriebs üblicherweise an das Turbinengetriebegehäuse des Triebwerks gekoppelt.
In diesem Fall stellen sie totes Gewicht auf einem Flugzeug oder einer ähnlichen Struktur da, wenn sie nicht benutzt werden. Die vorliegende Erfindung eliminiert die Notwendigkeit dieser Typen von komplexen Luftstartern.
In den 1, 2 und 3 ist ein Hochdruckgasturbinentriebwerk 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt mit einem mehrstufigen Axialkompressor 11, einer mehrstufigen Turbine 12, einer Brennkammer 25 mit einer Düse 20 und einem Propeller 17. Der mehrstufige Axialkompressor 11 besteht aus einem Niederdruckkompressor 13 und einem Hochdruckkompressor 15. Die mehrstufige Turbine 12 hat eine Niederdruckturbine 19, eine Mitteldruckturbine 21 und eine Hochdruckturbine 23. Wie am besten in 1 zu sehen ist, ist die Hochdruckturbine 23 mit dem Hochdruckkompressor 15 gekoppelt, die Mitteldruckturbine 17 ist mit dem Niederdruckkompressor 13 gekoppelt und die Niederdruckturbine ist mit dem Propeller 17 gekoppelt. Der mehrstufige Axialkompressor 11 umfasst abwechselnde Sätze von rotierenden Schaufeln 14 und stationären Leitschaufeln, die die Luft hineinführen und komprimieren. Brennstoff wird aus einer Brennstoffdüse 20 in die Brennkammer eingedüst und bewirkt die Verbrennung. Der Temperaturanstieg erzeugt einen erheblichen Anstieg des Gasvolumens, welches durch die Auslassdüse (nicht dargestellt) am Rückteil ausgeblasen wird. Die Turbine 12 absorbiert einen Teil der Energie aus den Gasen, welcher nötig ist, um den Kompressor 11 anzutreiben, der größere Teil wird benutzt, um Schub zu erzeugen.
Die 2 und 3 zeigen im vergrößerten Maßstab Ansichten der Gasturbine 10 von 1. Wie am besten in 2 zu sehen ist, hat eine Hochdruckturbine 12 eine Turbinenschaufel 54 und ein Turbinengehäuse 58, welches die heißen Verbrennungsgase aus dem Kompressor 11 und aus der Verbrennungskammer 25 leitet. Das Gehäuse 58 hat des Weiteren einen Kanal 60, durch den Pressluft von einer Pressluftquelle 52 eingeführt werden kann, um die Hochdruckturbine 23 zu drehen, wodurch der HP-Kompressor 15 (in 1 mit 15 bezeichnet) den Axialkompressor 11 antreibt und so das Triebwerk 10 starten lässt. Die Quelle der Pressluft, welche die Pressluftquelle 52 bildet, ist vorzugsweise ein Bodenstartfahrzeug oder ein anderes nah benachbartes Turbinentriebwerk oder eine Kombination von beiden. In jedem Fall wird ein Fachmann sich bewusst sein, dass auch andere mögliche Quellen von Pressluft möglich sind.
Nachdem die Pressluft (dargestellt durch Pfeile) in den Kanal 60 eingeleitet ist, wie am Besten in 3 zu sehen, wird die Luft durch eine Serie von Diffusoren 64, die im Turbinengehäuse 58 untergebracht sind, expandiert. Diese Hochgeschwindigkeitsluft beaufschlagt dann eine Serie von Turbinenschaufelelementen 66, die auf der Spitze 68 oder dem Deckband der Turbinenschaufel 54 positioniert sind. Diese Turbinenschaufelelemente 66 sind vorzugsweise Turbinenschaufelelemente 66 vom Impuls-Typ. Nachdem die kinetische Energie aus der Hochgeschwindigkeitsluft extrahiert ist, wird das Gas durch eine Serie von Öffnungen 69 im Gehäuse 58, die stromaufwärts der Turbinenschaufel 54 positioniert sind, geleitet und auf den Profilabschnitt der Turbinenschaufel 54 gerichtet, um jeden Rest an kinetischer Energie zu extrahieren.
Das Gasturbinentriebwerk 10, wie es in den 2 und 3 dargestellt ist, bietet Verbesserungen gegenüber bekannten Systemen. Das neue System reduziert das Gewicht durch die Eliminierung des konventionellen Startersystems und des zusätzlichen Gehäuses des Beaufschlagungskühlsystems. Weil die Turbinenschaufeln 54 vorzugsweise mit einem Deckband versehen sind, um die Spitzenleckagen zu reduzieren, erhöht das Hinzufügen von einer Mehrzahl von kleinen Turbinenschaufelelementen 66 das Gewicht nur wenig. Das Unterdrucksetzen des Hohlraums 67 reduziert die Leckage der Spitze 68 im wesentlichen gegen Null und hilft zusätzlich, die Turbinenschaufel 54 und das Gehäuse 58 zu kühlen. Die vorliegende Erfindung erhöht somit die Zuverlässigkeit, indem sie bewegte Teile aus der Startvorrichtung eliminiert.
Die 4 und 5 zeigen ein Hochdruckgasturbinentriebwerk 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform, die nicht Gegenstand der Erfindung ist. In dieser Ausführungsform ist eine Stufe eines Axialkompressors 100 im vorderen Bereich eines Gasturbinentriebwerks modifiziert, um eine kleine Turbine und eine Turbinenschaufel auf der Spitze jeder Kompressorschaufel einzuführen. Diese Stufe kann dazu benutzt werden, Gasenergie zurück zu gewinnen, und kann als Starter für das Turbinentriebwerk 150 verwendet werden.
Wie am besten in 4 zu sehen ist, hat die axiale Frontsektion 101 des Triebwerkskompressors 100 eine integrierte Kompressor-/Turbinenschaufel 102 und ein Gehäuse 104. Jede integrierte Kompressor-/Turbinenschaufel 102 umfasst einen Profilabschnitt 116, ein Deckband 152 und eine Turbine oder Turbinen, vorzugsweise Turbinen 110 vom Impulstyp. Das Gehäuse 104 hat einen Kanal 106, durch den Pressluft von einer Pressluftquelle 103 eingeführt werden kann, um die Kompressor-/Turbinenschaufel 102 zu drehen, wodurch der Kompressor 100 gedreht wird und das Triebwerk 150 starten lässt. Wie oben ist die Quelle der Pressluft, die die Pressluftquelle 103 bildet, vorzugsweise ein Bodenstartfahrzeug oder Zweitluft von einem anderen eng gekoppelten Turbinentriebwerk oder Kombinationen von beiden.
Nachdem die Pressluft (dargestellt durch Pfeile) aus der Pressluftquelle 103 in den Kanal 106 eingeführt ist, wie am besten in 5 zu sehen, wird die Pressluft durch eine Serie von Diffusoren 108 expandiert. Diese Hochgeschwindigkeitsluft beaufschlagt dann wenigstens ein Turbinenschaufelelement 110, welches an der Spitze 152 der integrierten Kompressor-/Turbinenschaufel 102 positioniert ist, wobei die Schaufel 102 und der Kompressor 100 angetrieben werden, um das Turbinentriebwerk 105 zu starten. Diese Turbinenschaufelelemente 110 sind vorzugsweise Turbinenschaufelelemente 110 vom Impulstyp. Nachdem die kinetische Energie aus der Hochgeschwindigkeitsluft extrahiert ist, wird das Gas vorzugsweise durch eine Serie von Öffnungen 114, die stromaufwärts der Schaufel 102 angeordnet sind, gerichtet und dann auf das Flügelprofil 116 der integrierten Kompressor-/Turbinenschaufel 102 gerichtet, um jegliche Restenergie zu extrahieren.
Das Gasturbinentriebwerk 150, wie es in den 4 und 5 dargestellt ist, ersetzt die Luftstarter nach dem Stand der Technik und bietet Verbesserungen bei der Zuverlässigkeit, wobei Kosten und Gewicht reduziert werden.
Während die Erfindung in Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurden, versteht es sich als selbstverständlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern dass Fachleute Modifikationen durchführen können, insbesondere im Licht der oben stehenden Lehren.

Claims

Verfahren zum Starten einer Gasturbine (10) mit einem mehrstufigen Axialkompressor (11) und einer Hochdruckturbine (12), umfassend: Vorsehen eines Kanals (60) in einem Turbinengehäuse (58), Einfügen wenigstens eines Turbinenschaufelelements (66) auf der Spitze (68) von wenigstens einem von einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln (54) der Hochdruckturbine (12), Zurverfügungstellen einer Menge Pressluft durch den genannten Kanal (60) des Turbinengehäuses (58), gekennzeichnet durch: Expandieren der genannten Menge Pressluft in einer Serie von Diffusoren (64), Beaufschlagen des wenigstens einen Turbinenschaufelelements (66) mit der expandierten Menge Pressluft, um die Hochdruckturbine in Drehung zu versetzen, Lenken der expandierten Menge Pressluft durch eine Serie von Öffnungen (69), die stromaufwärts der genannten Mehrzahl von Turbinenblätter (54) positioniert sind, nachdem das wenigstens eine Turbinenschaufelelement (66) beaufschlagt wurde, und Lenken der expandierten Menge Pressluft auf einen Profilabschnitt der Mehrzahl von Turbinenschaufeln (54), um jegliche verbliebene kinetische Energie aus der expandierten Menge Pressluft zu extrahieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Zurverfügungstellens einer Menge von Pressluft umfasst: Zurverfügungstellen einer Menge von Pressluft aus einer Pressluftquelle (52) durch das Turbinengehäuse (58) von einer Pressluftquelle (52).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge von Turbinenschaufeln eine Menge von mittels Deckband versteiften Turbinenschaufeln (54) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen von wenigstens einem Turbinenschaufelelement (66) auf einer Spitze (68) von wenigstens einer der Vielzahl von Turbinenschaufeln (54) der Turbine (12) das Einfügen von wenigstens einem Turbinenschaufelelement (66) vom Impuls-Typ auf einer Spitze (68) von wenigstens einer der Vielzahl von Turbinenschaufeln (54) der Hochdruckturbine (12) umfasst.
Gasturbine (10), umfassend: einen mehrstufigen Axialkompressor (11), ein Turbinengehäuse (58) mit einem Kanal (60), eine Pressluftquelle (53), die an das Turbinengehäuse (58) gekoppelt ist und den Kanal (60) an ihrer Außenperipherie einschließt, eine Turbine (12) mit einer Vielzahl von Turbinenschaufeln (54), wobei mindestens eine der Turbinenschaufeln (54) eng mit dem Kanal (60) gekoppelt ist, wobei diese wenigstens eine Turbinenschaufel (54) einen Profilabschnitt und wenigstens ein Turbinenschaufelelement (66) umfasst, welches an der Spitze (68) der wenigstens einen Turbinenschaufel positioniert ist, wobei die Pressluftquelle (52) dazu dient, eine Menge Pressluft durch den Kanal (60) einzuleiten, um das wenigstens eine Turbinenschaufelelement (66) zu beaufschlagen, um die Gasturbine (10) zu starten, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (58) zusätzlich eine Serie von Diffusoren (64) umfasst, die dazu dienen, eine Menge der Pressluft beim Verlassen des Kanals (60) zu expandieren, bevor sie das wenigstens eine Turbinenschaufelelement (66) erreicht, und eine Serie von Öffnungen (69), die dazu dienen, die Menge der expandierten Pressluft auf den Profilabschnitt zu lenken, nachdem das wenigstens eine Turbinenschaufelelement (66) beaufschlagt wurde.
Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Turbinenschaufelelement wenigstens ein Turbinenschaufelelement (66) vom Impulstyp umfasst.
Gasturbine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Turbinenschaufeln (54) eine Mehrzahl von mittels Deckband versteiften Turbinenschaufeln (54) umfasst und dass jede der mittels Deckband versteiften Turbinenschaufeln (54) einen Profilabschnitt und wenigstens ein Turbinenschaufelelement (66) umfasst.