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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft ein pneumatisch betriebenes Verdichterabblasventil
des Hülsentyps
für eine Gasturbinenmaschine,
das mit Führungslagern
gehalten ist, die in einem schraubenlinienförmigen Pfad betrieben werden.
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HINTERGRUND DER TECHNIK
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Gasturbinenmaschinen
enthalten oft eine Niederdruckverdichterstufe und eine Hochdruckverdichterstufe
zum Unterdrucksetzen von Umgebungsluft, wenn sie durch den Verdichterströmungspfad
zu der Verbrennungseinrichtung und den Turbinen strömt. Unter
bestimmten Betriebsbedingungen ist es nötig, den Luftdruck an dem Abgabeende
des Verdichters zu mäßigen, um
auf aerodynamische Instabilitäten,
so wie Strömungsabriss
oder Pumpen des Verdichters, einzugehen. Um den Druck zu mäßigen, ist
es gebräuchlich,
ein Verdichterabblasventil zu öffnen,
das einen Teil der Druckluft von dem Verdichterströmungspfad
in einen Bereich niedrigeren Drucks, so wie den Bypass-Gaspfad oder
den Bereich externer Umgebungsluft, führt.
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US-Patent 6 122 905 an Liu
beschreibt ein konventionelles Verdichterabblasventil, das starr durch
die Maschine angebracht ist, um Strömung von dem Verdichter in
ein schmales Gebiet innerhalb des Bypassströmungskanals abzugeben. Diese
pneumatische Seitenventilanordnung ist für Turboprop- oder Turbowellenmaschinen
geeignet, da verdichtete Luft direkt in die Umgebungsluftströmung abgeblasen wird.
In Bläsermaschinen
mit Bypasskanälen
ragt das Ventil jedoch durch den Bypasskanal hindurch und konzentriert
die Verdichterabblasluftströmung
in einem schmalen Gebiet innerhalb der Bypasskanalströmung. Die
Einblasung zusätzlicher
verdichteter Luft in den Bypasskanal innerhalb eines begrenzten Strömungsgebiets
erzeugt Luftströmungsverän derungen,
und die Position in dem Bypasskanal behindert die Bypassströmung teilweise.
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Ein
alternatives Abblasventil ist in
US-Patent 6
161 839 an Walton et al. gezeigt, das als ein "Hülsenventil" beschrieben wird, welches eine ringförmige Schürze oder
Hülse mit
Dichtflächen
aufweist, um Luftströmung über einen
umfangsmäßigen Ventilsitz aus
Abgabeschlitzen in dem Verdichterströmungspfad zu behindern. Konventionelle
Ventilanordnungen des Hülsentyps
enthalten einen Winkelhebelmechanismus, um die Hülse zwischen einer geöffneten und
einer geschlossenen Position axial zu versetzen. Die konventionelle
Hülsenventilanordnung
ist sehr zuverlässig,
verteilt Luftströmung
gleichförmiger
und ist kompakt. Solche Ventile erfordern einen externen hydraulischen
Aktuator und sind wegen einer Mehrzahl von Winkelhebelaktuatoren
mechanisch komplex, welche um den Umfangsbereich der Hülse herum
notwendig sind, um gleichförmigen
Ventilbetrieb bereitzustellen.
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Ventile
des Hülsentyps
erfordern relativ kurze Hubbewegung des Ventilverschlussstopfens,
um erhebliche Volumen an Luft aus dem Verdichterluftpfad freizugeben.
Demgegenüber
sind einzelne pneumatisch betriebene Verdichterabblasventile oft in
der Mehrzahl vorgesehen, da sie imstande sind, ein relativ kleines
Luftströmungsvolumen
abzublasen. Ein Hauptnachteil der konventionell verwendeten pneumatischen
Verdichterabblasventile ist, dass die Kolben der Ventile normalerweise
von einem einzelnen zentralen Stift oder Schaft oder von den Seitenwänden des
Kolbens selbst geführt
werden. Die radial arbeitenden Ventilkolben sind erheblichen Seitenbelastungen
von axial geführten
Luftströmungen ausgesetzt,
was Reibung erzeugt und über
die Zeit die Ansprechrate des Ventils wegen Reibungsabnutzung reduziert.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mechanisch einfaches,
leichtgewichtiges pneumatisch betriebenes Abblasventil des Hülsentyps
bereitzustellen, das das Verlassen auf mehrere einzeln aktivierte
Ventile oder massige externe mechanische Aktuatoren beseitigt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Ventil des Hülsentyps
bereitzustellen, das axialen Belastungen parallel zu seiner Betriebsrichtung
ausgesetzt ist und dadurch nachteilige Seitenbelastungsprobleme
des Stands der Technik beseitigt.
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Weitere
Aufgaben der Erfindung werden aus der Durchsicht der Offenbarung,
der Zeichnungen und der Beschreibung der Erfindung unten deutlich werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt ein pneumatisch betriebenes Abblasventil in einem
Um schließungsgehäuse, so
wie einem Gehäuse
eines axialen oder zentrifugalen Verdichters, mit Abblasen in einen
Bypasskanal z.B. einer Gasturbinenmaschine bereit. Das Ventil hat
einen ringförmigen
Kolben, der innerhalb einer ringförmigen Kammer konzentrisch
mit der Maschinenlängsachse
verschiebbar angebracht ist. Ein ringförmiger Ventilverschlussstopfen
an dem Kolben und ein ringförmiger
Ventilsitz an dem Verdichtergehäuse definieren
eine Ventilverschlussfläche.
Eine Steuerluftdruckleitung stellt eine Verbindung zwischen einem
von dem Kolben begrenzten Bereich der ringförmigen Kammer und einer Quelle
von Steuerluftdruck her. An der Peripherie des Kolbens und des Gehäuses angebrachte
Führungslager
haben eine schraubenlinienförmige,
mit der Maschinenachse konzentrische Führungsfläche.
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Das
Resultat ist ein pneumatisch betätigtes Verdichterabblasventil
des Hülsentyps,
das leichtgewichtig, kompakt und aufgrund einfacher axialer Betätigung unter
Verwendung einer ringförmigen
Kammer mit einem darin abgedichteten ringförmigen Kolben zuverlässig ist.
Der Kolben wird axial in einer schraubenlinienförmigen Weise mit drei Haltelagern geführt und
enthält
eine Schürze,
die als ein Ventilverschlussstopfen dient, um mit einem zusammenpassenden
kegelförmigen
Ventilsitz in Eingriff zu sein. Der Ventilverschlussstopfen enthält Öffnungen variabler
Fläche,
um eine graduelle Erhöhung
und Abnahme des Strömungsvolumens
und des Strömungswiderstands
der Ventilanordnung zu erlauben.
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Ein
Vorteil des ringförmigen
Ventilverschlussstopfens und der Schürze ist die Fähigkeit, Durchlass
eines großen
Volumens von verdichteter Luft mit sehr kleiner axialer Bewegung
aufgrund des großen
peripheren oder umfangsmäßigen Flächenbereichs,
der bloßgelegt
werden kann, relativ zu einzelnen pneumatisch betriebenen Ventilen
des Stands der Technik zu erlauben. Führen der axialen Bewegung des
ringförmigen
Kolbens mit drei Lagern auf schraubenlinienförmigen Wegen sorgt für Stabilität für den Kolben
und beseitigt seitliche Belastung, da die auf den Kolben wirkenden
Hauptkräfte
axial orientiert sind.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Damit
die Erfindung leicht verstanden werden kann, ist eine Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
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1 ist
eine Längsschnittansicht
durch ein Beispiel einer Gasturbinenmaschine, die koaxial eine Niederdruckwelle
und eine Hochdruckwelle zeigt und die die typische Anordnung des
zentrifugalen Verdichters und des umgebenden Verdichterkragengehäuses zeigt.
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2 ist
eine Detaillängsschnittansicht durch
einen zentrifugalen Verdichter und ein Verdichterkragengehäuse des
Stands der Technik mit einem konventionellen Verdichterabblasventil
mit pneumatischem Kolben, das eine Verbindung zwischen dem Verdichterströmungspfad
und dem Bypassströmungspfad
herstellt.
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3 ist
eine Längsschnittansicht
in vergleichbarem Detail durch einen zentrifugalen Verdichter und
ein Verdichterkragengehäuse
mit einem Abblasventil des Hülsentyps
mit pneumatischem Kolben entsprechend der Erfindung.
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Weitere
Details der Erfindung und ihre Vorteile werden aus der unten enthaltenen
detaillierten Beschreibung deutlich.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
eine Längsschnittansicht
durch eine beispielhafte Gasturbinenmaschine. Luft strömt durch
die Maschine (von links nach rechts in der Zeichnung), wobei sie
zuerst Bläser 1 passiert
und sich dann in zwei Luftströme
aufteilt. Ein äußerer Teil der
Luftströmung
strömt
durch den von der ringförmigen
Bläsergehäuseanordnung 3 gebildeten
Bypasskanal 2, und ein innerer Teil strömt durch den Maschinenkern
an der Niederdruckverdichterstufe 4 vorbei. In dem gezeigten
Beispiel enthält
die Maschine einen zentrifugalen Hochdruckverdichter 5,
der an einer Hochdruckwelle 6 angebracht ist und von heißem Gas
angetrieben wird, das von der Verbrennungseinrichtung 7 über Hochdruckturbinenrotoren 8 strömt. Der
Bläser 1 und
der Niederdruckverdichter 4 sind an einer von Niederdruckturbinenrotoren 10 angetriebenen
Niederdruckwelle 9 angebracht. Gas wird durch den Abgasmischer 11 nach
Passieren der Niederdruckrotoren 10 abgegeben.
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Von
besonderem Interesse für
die vorliegende Erfindung ist die Ausgestaltung von Verdichterabblasventilen. 2 zeigt
ein pneumatisch betriebenes Verdichterabblasventil 12 des
Stands der Technik in einer geöffneten
Position. Das Ventil 12 erlaubt Abzweigung eines Teils
der verdichteten Luft aus dem Verdichterströmungspfad durch eine Reihe
von radialen Strömungsöffnungen
(wie von den Pfeilen angezeigt) und bläst die verdichtete Luft in
den Bypasskanal 2 ab. Der zentrale Schaft und der Kolben dieses
Abblasventils 12 des Stands der Technik sind erheblichen
lateralen oder seitlichen Belastungen aufgrund der Umkehrung der
Luftströmungsrichtung und
der Orientierung der Einlass- und der Auslassöffnung ausgesetzt. Die Stirnfläche des
Ventilverschlussstopfens ist konturiert, um Strömung lateral in den Bypasskanal 2 zu
leiten. Das begrenzte Volumen an Luft, das durch solche Abblasventile 12 geleitet werden
kann, erfordert mehrere Einheiten, die den Bypasskanal 2 verstellen.
Weiterhin bringen die Ventile 12 eher Strömungsinstabilitäten ein,
wenn die verdichtete Luft an Ventilpositionen innerhalb des Bypasskanals 2 eingeführt wird,
als wenn sie gleichmäßiger an
vielen Stellen verteilt wird, die möglich sind, wenn ein Ventil
des Hülsentyps
verwendet wird.
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3 zeigt
ein pneumatisch betriebenes Verdichterabblasventil des Hülsentyps
gemäß der Erfindung.
Das Verdichterabblasventil in dem dargestellten Beispiel steht in
Verbindung mit Luftströmung in
dem Verdichtergehäuse 13 und
mit dem Bypasskanal 2 der Gasturbinenmaschine durch Verdichterabgabeluftschlitze 14.
Das Verdichtergehäuse 13 ist
radial symmetrisch um die Maschinenlängsachse 17, und an
mehreren Stellen vorgesehene Schlitze 14 mit mehreren Austrittsschlitzen 27 in
dem Bypasskanal 2 führen
zu einem verbesserten gleichförmigen ringförmigen Luftströmungspfad.
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Wie
mit Pfeilen angezeigt, tritt die verdichtete Luft aus dem Verdichtergehäuse 13 durch
Schlitze 14 aus und tritt in die Verdichterabgabeluftkammer 15 ein,
wo sie eingegrenzt ist, wenn der Ventilkolben 16 in der
geschlossenen Position bleibt, die in 3 gezeigt
ist. Der ringförmige
Kolben 16 ist zur axialen Bewegung innerhalb einer ringförmigen Kammer 18 verschiebbar
angebracht, und beide sind konzentrisch mit der Maschinenlängsachse 17.
Eine Steuerluftdruckleitung 19 stellt eine Verbindung zwischen einem
von dem Kopf des Kolbens 16 begrenzten Bereich der ringförmigen Kammer 18 und
einer Quelle von kontrolliertem Luftdruck (nicht gezeigt) her, um den
Kolben 16 zwischen der in 3 gezeigten
geschlossenen Position und einer geöffneten Position axial zu bewegen.
In der geöffneten
Position wird Luftdruck aus der Kammer 18 abgelassen, und
der Druck in der Kammer 15 zusammen mit der Kraft von Federn 20 ziehen
den Kolben 16 in eine geöffnete Position (nach links
in 3, wodurch die Größe der Kammer 18 verringert
wird). Kolbendichtringe 21 erhalten eine Luftdruckdichtung
zwischen Kammern 18 und 15 aufrecht und stellen
glatten Verschiebebetrieb sicher. Die Hauptkräfte, die auf den Kolben 16 ausgeübt werden,
sind axial, obwohl die Luftströmung
etwas radiale Widerstandslast und Druck auf die kegelförmige Dichtfläche ausübt, wenn
sie durchströmt. Die
Ausrichtung und die Stabilität
des Kolbens 16 während
des Betriebs werden durch die in schraubenlinienförmigen Schlitzen
verlaufenden Führungslager 26 erreicht.
Die Federn 20 werden auch sicherstellen, dass das Ventil
während
des Maschinenstarts oder in dem Fall von Systemversagen in der geöffneten
Position ist.
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Der
Kolben enthält
einen ringförmigen
Ventilverschlussstopfen 22, der in der gezeigten bevorzugten
Ausführungsform
eine kegelförmige
Ventilverschlussflä che
aufweist, die mit dem kegelförmigen Ventilsitz 23 zusammenpasst,
der an dem Verdichtergehäuse 13 angebracht
ist. Der Ventilverschlussstopfen 22, wie gezeigt, weist
eine zylindrische Schürze
um den Umfangsbereich des Kolbens 16 herum auf. Um Ausrichtung
aufrecht zu erhalten und Gewicht zu minimieren, kann der Kolben 16 auch eine
Hilfsschürze 24 enthalten.
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Um
den Umfang der zylindrischen Schürze des
Ventilverschlussstopfens 22 herum ist eine Reihe von Öffnungen 25,
die bevorzugterweise eine variable Fläche haben, um eine große variable
Fläche für Luftströmung bloßzulegen,
wenn der Kolben und der Ventilverschlussstopfen 22 sich
axial verschieben. Die Öffnungen
können
z.B. eine dreieckige Form, eine Tropfenform oder z.B. eine schraubenlinienförmige asymmetrische
Form haben.
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Es
wird verstanden werden, dass das Unterdrucksetzen von Kammer 18 mit
Steuerluft aus Kanal 19 in einem großen Maß selbstausgleichend ist, da sich
Luftdruck überall
in der ringförmigen
Kammer 18 gleichförmig
verteilt, was zu gleichförmigem
Druck auf den Kolbenkopf 16 führt. Weiterhin haben die Hilfsschürze 24 und
der Ventilverschlussstopfen 22 verschiebliche zylindrische
Ausrichtungsflächen
an benachbarten Bereichen des Verdichtergehäuses 13, um axiale
Ausrichtung beizubehalten, wenn der Kolben zwischen der geschlossenen
und der geöffneten
Position bewegt wird.
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Wegen
der Geschwindigkeit von Luftströmung
durch Öffnungen 25 muss
mögliche
Rotation des Kolbens 16 verhindert werden, um Luftströmungsbehinderung, übermäßige Dichtungsabnutzung
und Ausrichtungsschwierigkeiten zu verhindern. Demzufolge sieht
die Erfindung bevorzugterweise drei Führungslager 26 vor,
die beabstandet um den Umfangsbereich des Kolbens herum angebracht sind.
Die Führungslager 26 verlaufen
in einer schraubenlinienförmigen
Wegführungsfläche konzentrisch mit
der Achse 17.
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Es
wird verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf das oben beschriebene
Beispiel beschränkt
ist, sondern in vielen anderen Anwendungen enthalten sein kann,
wo ein ringförmiges
Ventil von Vorteil ist, so wie um axiale Verdichter herum, um Gasströmung um
Turbinen herum, in Gaseinlässe und
aus Auslässen
zu steuern. Ein pneumatisch oder hydraulisch betriebenes ringförmiges Fluidventil kann
auch bei Fluidpumpengehäusen,
Ventilen mit großem
Durchmesser, Verdichtergehäusen,
rotierenden Turbinengehäusen,
Verbrennungsgaskanälen, Treibstoff-Luft-Mischrohren
und anderen Kanälen, die
Fluidströmung
leiten und steuern, angewendet werden.
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Obwohl
die obige Beschreibung eine spezifische bevorzugte Ausführungsform
betrifft, wie sie zur Zeit von dem Erfinder in Erwägung gezogen
wird, wird es verstanden werden, dass die Erfindung in ihrem breiten
Aspekt mechanische und funktionelle Äquivalente der hierin beschriebenen
Elemente enthält,
soweit sie unter den Umfang der angehängten Ansprüche fallen.