DE69910018T2

DE69910018T2 - Integraler trägheitspartikelabscheider für radialeinlass von gasturbinen

Info

Publication number: DE69910018T2
Application number: DE69910018T
Authority: DE
Inventors: D. Michael Oakville STOTEN
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: US6134874A; DE69910018D1; CA2333695A1; WO1999063211A1; EP1082529A1; JP2002517657A; CA2333695C; EP1082529B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung ist gerichtet auf gegabelte radiale Einlasskanäle, die modifiziert sind, damit sie eine Bypasskanal als einen integralen Trägheits-Partikelabscheider zum Entfernen von Sand, Eisstücken und anderen schädigenden Teilen aus der Einlasskanalluftströmung unter Zentrifugalkraft aufweisen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Dem Betrieb von Gasturbinenmaschinen für Hubschrauber und Flugzeuge ist inherent die Möglichkeit, dass von der Luft mitgerissene Teilchen in die Turbinenmaschine gesogen werden. Das übliche Problem beim Betrieb von Hubschraubern ist das Aufwirbeln von Sandwolken durch die Hauptrotoren beim Schwebeflug in enger Nähe zu Grundoberflächen. Die extrem hohen Kräfte und die Turbulenz der von den Rotoren angetriebenen Luft wirbelt genügend Staub, Sand und kleine Kiesel auf, um ernsthafte Beschädigungen an Hubschrauber-Gasturbinenmaschinen zu verursachen. Andere allgemein bekannte Probleme werden durch Hagel, Eisplättchen und Vögel verursacht.
Mit Gittern kann man verhindern, dass große Fremdkörper in die Maschine gelangen, kleine Sandteilchen behandelt man jedoch generell durch die Verwendung eines externen Trägheits-Partikelbabscheiders unmittelbar strömungsaufwärts von dem Maschineneinlasskanal. Von der Luft mitgerissene Sandteilchen werden durch die Zentrifugalkraft in dem Trägheits-Partikelabscheider entfernt. Der Partikelbascheider weist generell einen äußeren Hauptkanal auf, der gekrümmt ist, um von der Luft mitgerissene Teilchen radial nach außen in einen Bypasskanal zum Abgeben aus der Maschine zu zwingen. Von der Gesamtluftströmung, die in den Trägheits-Partikelabscheider gesaugt wird, wird ein essenzieller Bruchteil, beispielsweise 15 bis 50%, durch den Bypasskanal zusammen mit den zentrifugal getriebenen von der Luft mitgerissenen Teilchen gedrängt. Die verbleibenden 50 bis 85% der Luftströmung gelangen dann zu dem Verdichterabschnitt, wobei im Wesentlichen sämtliche von der Luft mitgerissenen Teilchen entfernt sind.
Die US-Patente 4 509 962 und 4 592 765, die Breitman et al. erteilt wurden, zeigen zwei Beispiele von vorne angebrachten axialen Einlasskanalabscheidern. Diese Abscheider des Stands der Technik nehmen mit Partikeln kontaminierte Luft in einen axialen ringförmigen Strömungsweg auf. Der Einlasskanal hat eine einzelne oder eine doppelte (S-förmige) scharfe Biegung. Von der Luft mitgerissene Teilchen strömen weiter auf einer geraden Linie, während die Luft um die Biegung oder die Biegungen strömt. Als Folge treffen die Teilchen gegen die innere und die äußere Wand des Einlasskanal und prallen in einen Bypasskanal zur Abgabe aus der Maschine ab. Die Gestalt der inneren und der äußeren Wand kann parabolisch sein, um den Strom aus abgelenkten Teilchen in die gewünschte Richtung in Richtung auf den Bypasskanal abzulenken.
Ein signifikanter Nachteil dieser Abscheider des Stands der Technik ist der zusätzliche verbrauchte Raum. Effektiv ist der vordere Einlasskanal der Maschine verlängert, und die Gesamtllänge der Maschine kann erhöht sein. Im Fall von Maschinen mit radialem Einlasskanal ist die axiale Erstreckung der Maschine erhöht, wenn ein Teilchenabscheider dem Stand der Technik zugefügt ist.
Auch sind bei Trägheits-Partikelabscheidern des Stands der Technik mechanisch betätigte Ablenkklappen vorgesehen, um die Luft zu zwingen, dass sie bei einer erhöhten Geschwindigkeit eine schärfere Biegung vollführt, um so die zentrifugale Abscheidung von von der Luft mitgerissenen Teilchen zu erhöhen, auf Kosten eines erhöhten Druckverlusts der dem Verdichter zugeführten Luft.
Trägheits-Partikelabscheider des Stands der Technik sind üblicherweise in relativ voluminösen Kanälen enthalten, die im Falle eines Triebwerks mit radialem Einlass lateral außerhalb von der Maschine angebracht sind oder in Richtung der Maschine bei einem axialen Einlass. Ob außerhalb oder vor der Maschine angebracht, stellen externe Trägheits-Partikelabscheider des Stands der Technik eine Gewichtszunahme und eine Größenzunahme für die Maschine und die Gondel dar. Insbesondere im Fall von leichten Hubschraubern kann die Zunahme an Größe und Gewicht kritisch sein. Beispielsweise kann der externe Trägheits-Partikelseparator zu einem zusätzlichen Leistungsverlust von etwa 5% der Maschine führen. Um die gleichen Ausgangsleistung an die Rotoren beizubehalten, muss eine größere Maschine vorgesehen sein. Die größere Maschine selbst bedeutet einen Gewichts- und Größennachteil zusätzlich zu erhöhtem Brennstoffverbrauch.
US 5 039 317 an Thompson et al., beschreibt einen Trägheits-Partikelabscheider mit radialem Einlass des Stands der Technik ohne Fähigkeit zum Erwärmen oder zum Enteisen, um ein Blockieren durch Eisbildung in dem Einlass zu verhindern. Das wird normalerweise bereitgestellt, indem man den Abscheiden mit doppelten Wänden versieht und heiße Verdichterabgabeluft zwischen den doppelten Wänden zirkulieren lässt. Die heiße Luftströmung wird von einem Absperrventil kontrolliert. Das Nettoergebnis ist jedoch, dass Enteisungsvorrichtungen einen beträchtlichen Kosten-, Gewichts- und Zuverlässigkeitsnachteil für die Maschine darstellen.
Zusammenfassend lässt sich deshalb sagen, dass, obwohl externe Trägheits-Partikelabscheider beim Entfernen von schädlichen Sandteilchen aus dem Lufteinlasskanal in eine Maschine erfolgreich sind, es signifikante Nachteile gibt, die mit ihrer Verwendung verbunden sind.
Einweiterer Nachteil von konventionellen externen Trägheits-Partikelabscheidern ist der Aufwand, der für das technische Personal erforderlich ist, um die Konstruktion und die Wartung der großen externen Kanäle zwischen dem Maschinenherstellern und anderen bei der Hubschrauber – und Flugzeugproduktion Eingebundenen zu koordinieren.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die Größe und das Gewicht eines Trägheits-Partikelabscheiders substanziell zu verringern, indem der Abscheider in einen radialen Einlasskanal einer Gasturbinenmaschine inkorporiert wird.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Gasturbinenmaschine mit radialem Einlasskanal bereitzustellen, die einen eingebauten Trägheits-Partikelabscheider aufweist und so die Anforderung nach einer externen Kanalanordnung und die Nachteile des Stands der Technik eliminiert.
Es ist ein weiteres Ziel Erfindung, die Enteisungsfähigkeit zusätzlich zu der Trägheits-Partikelabscheide-Funktion zu schaffen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft einen integralen Trägheits-Partikelabscheider in der Form eines gegabelten radialen Einlasskanals für eine Gasturbinenmaschine, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Maschinen mit radialem Einlasskanal weisen einen gekrümmten Einlasskanal auf, der Luft radial aus einem externen Sammelraum ansaugt und die Luftströmung axial in einen ringförmigen Verdichterkanal umlenkt.
Durch das Modifizieren des radialen Einlasskanals, derart, dass er einen Bypasskanal aufweist, wird ein integraler Trägheits-Partikelabscheider ökonomisch innen in der Maschine bereitgestellt, um Sand, Eisstückchen und andere schädigende Partikel aus der Einlassluftströmung zu entfernen. Im Gegensatz dazu sind externe Partikelabscheider des Stands der Technik häufig voluminöse Kanäle, die einer Maschine zugefügt sind und so die Größe, das Gewicht und die Luftwiderstandseigenschaften der Maschine erhöhen.
Der gegabelte, axial symmetrische radiale Einlasskanal einer bevorzugten Ausführungsform hat ein inneres Ende, welches sich in Verbindung mit dem axialen Strömungsverdichterkanal befindet, und ein äußeres Ende, welches einen umfangsmäßig offenen radialen Einlass wie üblich aufweist. Der radiale Einlasskanal weicht jedoch von dem üblichen durch eine diskontinuierliche konkave vordere Oberfläche ab, die sich zwischen einem vorderen Rand des Einlasses und der inneren Verdichterkanalwand erstreckt. Die konkave vordere Oberfläche zwingt die Luftströmung in einen gekrümmten Weg und separiert so relativ schwere Teilchen aus der Luftströmung durch die Zentrifugalkraft.
Die Diskontinuität in der konkaven vorderen radialen Einlasskanaloberfläche weist einen Bypasskanal strömungsabwärts von dem Einlass und einen in der Art einer Scheidelippe geformten (cusp shaped) Strömungsseparator strömungsabwärts von dem Bypasskanal auf, zum Ableiten einer Bypassluftströmung in den Bypasskanal. Zum Abgeben der mit Partikeln kontaminierten Bypassluftströmung aus der Maschine ist eine ringförmige Bypasssammeleinrichtung in Verbindung mit dem Bypasskanal und eine Luftpumpe vorgesehen. Die Luftpumpeneinrichtung zum Evakuieren der Bypassluftströmung weist konventionelle abgasangetriebene Strahlpumpen und rotierende Leitelement auf, die speziell für diesen Zweck angepasst sind.
Weitere Details der Erfindung und ihre Vorteile werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun nur beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, und zwar mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, für die gilt:
1 ist eine axiale Schnittansicht durch einen modifizierten radialen Einlasskanal und eine benachbarte Turbinenmaschinenwelle strömungsaufwärts von dem Verdichterabschnitt;
2 ist eine axiale Schnittansicht durch die gesamte Gasturbine, welche den Luftweg in den radialen Einlasskanal zeigt, wobei der Hauptteil der Einlassluftströmung zu den Verdichterlaufschaufeln strömt, wobei ein Bypassanteil der Luft, der zentrifugal abgelenkte von der Luftströmung mitgerissene Teilchen enthält, in einen Bypasskanal, eine umfangsmäßige Bypasssammeleinrichtung strömt und dann von der Maschine durch Abgabeleitungen (schematisch ge zeigt) abgegeben wird und von einer abgasangetriebenen Strahlluftpumpe aus der Maschine entfernt wird (auch schematisch gezeigt); und
3 zeigt eine optionale Ausführungsform der Erfindung, die zusätzlich eine schwenkbar angeschlossene Ablenkklappe aufweist, die mechanisch in den radialen Einlasskanal gebracht werden kann und die Luft zwingt, eine schärfere Biegung bei erhöhter Geschwindigkeit zu machen und so die zentrifugale Abscheidung von von der Luft mitgerissenen Teilchen erhöht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen Axialschnitt durch eine modifizierte Gasturbinenmaschine mit radialem Einlasskanal. Konventionelle Gasturbinenmaschinen mit radialem Einlasskanal haben eine Längswelle 1, auf der ein Verdichterrotor 2 mit einer umfangsmäßigen Reihe von Verdichterlaufschaufeln 3 angebracht ist. Ein ringförmiger Verdichterkanal 4 ist zwischen einer äußeren Verdichterkanalwand 5 und einer inneren Verdichterkanalwand 6 definiert. Die genannte Struktur der Gasturbinenmaschine mit radialem Einlasskanal ist üblich. Ein konventioneller radialer Einlasskanal saugt Luft von einem äußeren Sammelraum (nicht gezeigt) an und lenkt die Luftströmung von einer Richtung radial nach innen in eine Richtung axial nach hinten durch den Verdichterkanal 4 um.
Wie in jeder der angefügten Zeichnungen gezeigt, liefert die Erfindung einen integralen Trägheits-Partikelabscheider in dem radialen Einlasskanal in der Form eines aufgegabelten radialen Einlasskanals.
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Der aufgegabelte axial symmetrische radiale Einlasskanal 8 hat ein inneres Ende in Verbindung mit dem Verdichterkanal 4 und ein äußeres Ende mit einem umfangsmäßig offenen Einlass 9. Der aufgegabelte radiale Einlasskanal 8 weist eine kontinuierliche konvexe hintere Oberfläche 10 auf, die sich zwischen einem hinteren Rand 11 des Einlasses 9 und der äußeren Verdichterkanalwand 5 erstreckt.
Der aufgegabelte radiale Einlass 8 hat eine unterbrochene konkave vordere Oberfläche 12. Die unterbrochene konkave vordere Oberfläche 12 erstreckt sich zwischen dem vorderen Rand 13 des Einlasses 9 und der inneren Verdichterkanalwand 6.
Die vordere Oberfläche 12 des radialen Einlasskanals weist einen Bypasskanal 14 strömungsabwärts von dem Einlass 9 und eine Scheidelippe (cusp lip) 15 als einen Strömungsteiler strömungsabwärts von dem Bypasskanal 14 auf zum Ableiten einer Bypassluftströmung in den Bypasskanal 14. Die Strömungsseparatorlippe 15 bildet eine Scheidelippe oder eine Spitze, die zwischen einem strömungsabwärtigen Bereich 16 der vorderen Oberfläche 12 des radialen Einlasskanals und einer benachbarten inneren Oberfläche 17 des Bypasskanals 14 angeordnet ist. Man erkennt, das das Positionieren der Scheidelippe 15 und der relativen Krümmungen der hinteren Oberfläche 10, des strömungsaufwärtigen Bereichs 18 und des strömungsabwärtigen Bereichs 16 der vorderen Oberfläche 12 des radialen Einlasskanals im Wesentlichen durch die Konstrukteure festgelegt werden, um einen ausgewählten Prozentsatz der Gesamtluftströmung in den Bypasskanal 14 abzugeben.
Um die mit Teilchen kontaminierte Bypassluftströmung aus der Maschine abzugeben, ist die folgende Abgabeeinrichtung in Verbindung mit dem Bypasskanal 14 vorgesehen. Eine ringförmige Bypasssammeleinrichtung 19 umgibt die Welle 1 und sammelt Bypassluftströmung aus dem Bypasskanal 14. Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. An einer Position um den Umfang der Bypasssammeleinrichtung 19 evakuiert eine Abgabeleitung 20 Luft aus der Bypasssammeleinrichtung 19 durch eine konventionelle abgasangetriebene Strahlpumpe 21 oder einen Bläser (nicht gezeigt), um die mit Teilchen kontaminierte Luft zu entfernen.
Wie in der 2 gezeigt, strömt der Großteil der Einlasskanalluft von dem radialen Einlasskanal 8 in den Verdichterkanal 4, nachdem von der Luft mitgerissene Teilchen zentrifugal radial nach außen in die Bypassluftströmung ge zwängt werden, bevor sie aus der Maschine durch die Bypassstrahlluftpumpe 21 oder den Bläser abgegeben werden.
In der bevorzugten Ausführungsform, wie in der 1 gezeigt ist, wird die Teilchenabscheidung verstärkt, indem eine unterbrochene radiale vordere Einlasskanaloberfläche 12 mit einem konkaven strömungsaufwärtigen Bereich 18 vorgesehen ist. Radiale Rippen oder Leitelemente 23 schaffen eine strukturelle Abstützung über den radialen Einlass 8 und erstrecken sich strömungsabwärts, um eine Abstützung über den Bypasskanal 14 zu schaffen, zu der Strömungsseparatorscheidewand 15. Diese Rippen 23 sind nebensächlich für die Trägheits-Partikelabscheider-Funktion des radialen Einlasskanals 8 und können weggelassen werden, wenn eine alternative strukturelle Abstützung geschaffen ist.
Außerdem weist bei der in 1 gezeigten Ausführungsform die Welle 1 Zahnräder 25, 26 auf, welche eine Hilfsaggregatwelle 7 antreiben. Ein Öltank 27, der verwendet wird, um der Gasturbinenmaschine eine Schmierung bereitzustellen, ist teilweise von der strömungsaufwärtigen radialen Einlasskanalwand 18 gebildet. Der Öltank 27 umgibt auch den Bypasskanal 19, und ein Teil der Abgabeleitung 20 und erwärmt so diese Oberflächen und vermeidet das Erfordernis nach einer separaten Heizeinrichtung zum Enteisen der internen Oberflächen dieser Elemente. Eine Erwärmung könnte bei einem Fehlen des Öltanks gleichermaßen durch Spritzöl von dem Getriebe geschaffen werden, von dem die Zahnräder 25 und 26 Teile bilden.
3 zeigt einen optionalen Zusatz zu dem radialen Einlasskanal B. Zum Erhöhen der zentrifugalen Abscheidung von von der Luft mitgerissenen Teilchen kann eine mechanisch betätigte Ablenkklappe 28, die um einen Zapfen 29 drehbar ist, in den radialen Einlasskanal 8 mit einer konventionellen mechanischen Einrichtung (nicht gezeigt) verbracht werden.
Obwohl die vorangehende Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen sich auf eine spezielle bevorzugte Ausführungsform, wie sie momentan von dem Erfinder in Erwägung gezogen wird, bezieht, wird man verstehen, dass die Erfindung in ihrem breiten Gesichtspunkt viele mechanische und funktionale Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Elemente beinhaltet.

Claims

Aufgegabelter radialer Einlasskanal (8) für eine Gasturbinenmaschine mit einer Längsachse, einem ringförmigen Verdichterkanal (4), der zwischen einer äußeren Verdichterwand (5) und einer inneren Verdichterwand (6) definiert ist, aufweisend: einen aufgegabelten axial symmetrischen radialen Einlasskanal (8) mit einem inneren Ende in Verbindung mit dem Verdichterkanal (4) und einem äußeren Ende, welches einen umfangsmäßig offenen Einlass (9) aufweist, wobei der radiale Einlasskanal (8) hat: eine kontinuierliche konvexe hintere Oberfläche (10), welche sich zwischen einem hinteren Rand (11) des Einlasses (8) und der äußeren Verdichterkanalwand (5) erstreckt; und eine unterbrochene konkave vordere Oberfläche (12), die sich zwischen einem vorderen Rand (13) des Einlasses (9) und der inneren Verdichterkanalwand (6) erstreckt, wobei die vordere Oberfläche (12) des radialen Einlasskanals aufweist: einen Bypasskanal (14), strömungsabwärts von dem Einlass (9); und eine Strömungsseparator-Einrichtung (15), strömungsabwärts von dem Bypasskanal (14), zum Ableiten einer Bypassluftströmung in den Bypasskanal (14); eine Abgabeeinrichtung (20, 21) in Verbindung mit dem Bypasskanal (14) zum Abgeben der Bypassluftströmung von der Maschine; eine ringförmige Bypasssammeleinrichtung (19) in Verbindung mit dem Bypasskanal (14); eine Luftpumpeinrichtung (21) in Verbindung mit der Bypasssammeleinrichtung (19) zum Evakuieren von Luft aus der Bypasssammeleinrichtung (19), wobei die Verbesserung aufweist: eine Enteisungseinrichtung (27) der vorderen Oberfläche des radialen Einlasskanals zum Erwärmen der vorderen Oberfläche (12) des radialen Einlasskanals.
Aufgegabelter radialer Einlasskanal (8) nach Anspruch 1, wobei die Strömungsseparator-Einrichtung eine Scheidelippe (15) aufweist, die zwischen einem strömungsabwärtigen Bereich der vorderen Oberfläche (12) des radialen Einlasskanals und einer benachbarten inneren Oberfläche des Bypasskanals (14) angeordnet ist.
Aufgegabelter radialer Einlasskanal (8) nach Anspruch 1, aufweisend eine Enteisungseinrichtung (27) für die Bypasssammeleinrichtung zum Erwärmen der Bypasssammeleinrichtung (19).
Aufgegabelter radialer Einlasskanal (8) nach Anspruch 3, wobei die Enteisungseinrichtung (27) der Bypasssammeleinrichtung eine Einrichtung zum Zirkulieren von erwärmtem Öl über der Bypasssammeleinrichtung (19) aufweist.
Aufgegabelter radialer Einlasskanal (8) nach Anspruch 4, aufweisend eine Enteisungseinrichtung (27) der vorderen Oberfläche des radialen Einlasskanals zum Erwärmen der vorderen Oberfläche (12) des radialen Einlasskanals, aufweisend die Einrichtung zum Zirkulieren von erwärmtem Öl in thermischem Kontakt mit der vorderen Oberfläche (12) des radialen Einlasskanals.