DE811524C - Gegen Vereisung geschuetzter Kompressor fuer Flugzeug-Gasturbinen-Triebwerke - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 20. AUGUST 1951

C 533 Ia/ 46 f

Die Erfindung betrifft gegen Vereisung geschützte Kompressoren für Flugzeug-Gasturbinen-Triebwerke und im besonderen Mittel zur Verhinderung der Eisbildung an den Einlaßteilen und den Schaufeln von Axialkompressoren.

Die Eisbildung an den Einlaßteilen von Luftkompressoren, wie an der Einlaßverkleidung, der mittleren Führungshaube_, den Verstrebungen, den Einlaßleitschaufeln und ähnlichen Teilen, bewirkt ernste Störungen des an ihnen vorbeiströmenden Luftstromes. Auch können erhebliche Zerstörungen durch Eisstücke verursacht werden, die sich von diesen Teilen lösen und durch den Luftstrom zwischen die umlaufenden Teile gelangen. Tritt in den ersten Stufen eines Axialkompressors Eisbildung an den Schaufeln selbst auf, so wird der Wirkungsgrad des Kompressors ganz erheblich herabgesetzt. Die Eisbildung kann entweder durch Einführung von bestimmten Flüssigkeiten, wie Alkohol, in die angesaugte Luft verhindert werden, die den Gefrierpunkt der von der Luft mitgeführten und mit den Teilen in Berührung kommenden Feuchtigkeit herabsetzen, oder durch Anwendung von Wärme, um die Temperatur örtlich über den Gefrierpunkt des Wassers zu erhöhen.

Die Hauptbedenken gegen die Einspritzung von Flüssigkeiten sind in den Schwierigkeiten begründet, die sich bei dem Zuführungssystem für die Flüssigkeiten und aus der Tatsache ergeben, daß aus Gewichtsgründen nur dann genügend Flüssigkeit mitgenommen werden kann, wenn die Einrichtung nicht dauernd in Betrieb gehalten wird, sondern nur dann, wenn Eisbildung festgestellt wird, wenn sich also bereits etwas Eis gebildet hat.

Wärme kann auf die verschiedensten Arten angewendet werden, aber jede bereitet irgendwelche

Schwierigkeiten. Die naheliegendste Lösung des Problems, nämlich den gesamten Luftstrom zu erwärmen, kann nicht angewendet werden, weil eine solche Erwärmung der Ladung die Leistung des Kompressors vermindert und außerdem viel zu große Wärmemengen benötigt. Die unmittelbare Beheizung kleinerer beweglicher Teile, wie der am Rotor sitzenden Schaufeln, bringt größere mechanische Probleme mit sich, deren Lösung zusätzliches ίο Gewicht und Komplikationen am Kompressor verlangen. Die indirekte Beheizung solcher Teile durch elektrische Induktion führt leicht zu Dauerbrüchen der betreffenden Teile.

Zweck der Erfindung ist, eine einfache Heizeinrichtung für solche Teile, wie Rotorschaufeln und andere Teile zu schaffen, bei denen die Wärmezuführung mechanische Schwierigkeiten bereitet, und Schleifringe, Stopfbüchsen und Dichtungen, die Störungen unterworfen sein können, sowie andere ao Komplikationen zu vermeiden, die sich bei einer elektrischen oder mechanischen Beheizung von beweglichen und ausbaubaren Teilen ergeben. Eine Bauart, die diese Ziele erreicht, wird die Betriebssicherheit wesentlich erhöhen, die Herstellung er- »5 leichtern und Gewicht und Kosten herabsetzen.

Die Erfindung hat sich weiterhin zum Ziel gesetzt, die der Vereisungsgefahr unterliegenden Flächen bei einer minimalen Temperatursteigerung der in den Kompressor eintretenden Luft zu erwärmen. Auch soll die Erwärmung der betreffenden Teile weder bei den feststehenden noch bei den umlaufenden Teilen Ermüdungsbeanspruchungen mit sich bringen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die von der zu verdichtenden Luft berührten, der Vereisungsgefahr unterliegenden Flächen des Kompressors teils blank poliert, teils dunkel gefärbt und der Strahlungswärme von entsprechend angeordneten Heizkörpern ausgesetzt sind. In der Zeichnung ist ein typischer Axialkompressor, wie er bei Gasturbinen-Triebwerken für Flugzeuge verwendet wird, im Längsschnitt dargestellt.

Das äußere oder Statorgehäuse des Kompressors ist mit 2, der Rotor mit 3 bezeichnet. Der Rotor sitzt auf der Welle 4, die in üblicher Weise im Stator gelagert ist. Die feststehenden Leitschaufeln 5 sind in mehreren Kränzen auf der Innenseite des Gehäuses vorgesehen. Die ebenfalls in Kränzen auf dem Rotor angeordneten Laufschaufeln 6 liegen jeweils dazwischen und arbeiten aerodynamisch mit ihnen zusammen. Der Kompressor hat fünf Stufen, doch ist dies für die Erfindung nebensächlich. Je nach dem Leistungsbedarf kann auch eine beliebige andere Stufenzahl vorgesehen sein.

Das vordere Lager für die Welle 4 sowie die Getriebe für die Hilfsgeräte sind in einem Gehäuse 7 angeordnet, das in dem äußeren Gehäuse 2 des Kompressors mittels im Querschnitt stromlinienförmiger Streben 8 gehalten wird.

Unmittelbar vor der ersten Laufschaufelreihe ist ein Kranz von Einlaßleitschaufeln 9 vorgesehen, die mit ihren inneren Enden an dem Gehäuse 7 und mit ihren äußeren Enden an dem Statorgehäuse 2 des Kompressors befestigt sind. Rund um die Einlaßöffnung des Kompressors, die auf der linken Seite der Zeichnung dargestellt ist, ist eine ringförmige Verkleidung 10 vorgesehen, während in ihrer Mitte eine geschoßförmige Haube 11 angeordnet ist. Die Luft strömt durch den Ringraum zwischen dieser Verkleidung und der inneren Führungshaube. Es ist üblich, die Hilfsgeräte und Hilfsmaschinen, wie den Starter, am vorderen Ende des Kompressors anzuordnen. Die Führungshaube 11 dient dabei als Verkleidung für diese Maschinen und muß hierbei so befestigt werden, daß sie für die Wartung dieser Maschinen leicht abgenommen werden kann. Die Art und Weise, wie die Haube befestigt wird, ist in diesem Zusammenhang belanglos, nicht aber, daß die Haube leicht abnehmbar und möglichst leicht und unempfindlich sein muß. Der Rand der Haube ist so auf das Gehäuse 7 aufgesetzt, daß die Oberflächen der beiden Teile glatt ineinander übergehen. Im Bereich der äußeren Befestigung der Einlaßleitschaufeln 9 und der ersten zwei oder drei Leitschaufelkränze 5 des Stators ist das Statorgehäuse 2 hohl ausgebildet, so daß eine Heizflüssigkeit, wie Tetrakresylsilicat oder öl, durch die Hohlräume 13 des Gehäuses geleitet werden kann. Die Heizflüssigkeit wird durch die Bohrung 14 zugeführt und, nachdem sie den Heizmantel rundum durchströmt hat, durch die Bohrung 15 wieder einer Wärmequelle zurückgeleitet. Die Wärmequelle, die in dem hinteren Teil des Triebwerks angeordnet ist, entnimmt die Wärme mittels eines Wärmetauschers den aus der Turbine ausströmenden Gasen. Per Heizmantel und die Leitungen 14 und 15 sind, wie dies bei 16 dargestellt ist, mit einem dicken Isoliermantel versehen, damit Wärmeverluste nach außen verhindert werden.

In ähnlicher Weise ist auch die Einlaßverkleidung 10 hohl ausgebildet und wird von einer Heizflüssigkeit durchströmt, die durch die Leitung 14 zugeführt wird und ihre Wärme den Abgasen der Turbine entnimmt. Der von der Heizflüssigkeit durchströmte Raum muß sich auch durch den vorderen Teil der Streben 8 erstrecken. Durch Anordnung von Leitblechen in der Einlaßverkleidung 10 und entsprechende Anordnung der Rückleitung zum Wärmetauscher läßt sich eine ausreichende Strömung der _11P Heizflüssigkeit durch die vorderen Kanten der Streben erzielen.

In vorstehendem wurde eine einfache Art der Beheizung des Statorgehäuses 2, der Leitschaufeln 5, der Einlaßleitschaufeln 9, der Streben 8 und der Einlaßverkleidung 10 beschrieben. Diese Teile können aber auch auf andere Weise beheizt werden, z. B. durch in sie eingebaute elektrische Heizwiderstände. Doch kann die Wärme auch in anderer üblicher Weise auf diese Teile übertragen werden, da sie feststehend sind und bei Überholungen nur selten ausgebaut oder auseinandergenommen zu werden brauchen.

Erfindungsgemäß sind nun die im Bereich der Heizmäntel oder anderer, durch Wärmeleitung entstehender Wärmequellen liegenden Leitschaufeln 5,

Einlaßleitschaufeln 9 und die Innenfläche des Statorgehäuses 2, an der diese Schaufeln befestigt sind, mattschwarz gefärbt, um eine wirksam Wärme ausstrahlende Oberfläche zu erhalten.
In ähnlicher Weise weist auch die Innenseite der Einlaßverkleidung io eine mattschwarze Fläche A auf. Die Streben 8 sind auf ihrem hinteren Teil ebenfalls mattschwarz, aber aus weiter unten noch zu erklärenden Gründen ist der größere Teil B der Vorderkante blank und vorzugsweise poliert. Die Außenfläche und ein Teil der Innenfläche der Einlaßverkleidung io werden ebenfalls blank belassen. Die Grenzlinie D' zwischen dem blanken und dem schwarzen Teil der Oberfläche stellt eine Kreislinie dar, die so angeordnet ist, daß von dieser Linie ausgehende gedachte Linien E, die senkrecht auf der Oberfläche der Einlaßverkleidung stehen, die Oberfläche der Führungshaube 11 in einer Kreislinie D" treffen, die, wie später noch beschrieben wird, den

ao blanken Teil B" von dem schwarzen Teil C dieser Oberfläche trennt.

Die schwarze Oberfläche kann in beliebiger, dem Werkstoff des betreffenden Körpers angepaßter bekannter Weise erzeugt werden, doch muß sie durch ein Färbe- oder chemisches Verfahren, wie z. B. durch Oxydation, erzielt werden, damit sie jeder Temperatur, Verformung und jedem Verschleiß standhält.

Die Oberfläche der Laufschaufeln 6 und der Führungshaube 11 sind ebenfalls mattschwarz gefärbt, wiederum mit einem dem Werkstoff entsprechenden Verfahren. Der vorderste Teil B" der Haube ist aber blank belassen und vorzugsweise poliert. Die Trennungslinie D" zwischen dem schwarzen und dem glänzenden Teil der Oberfläche stellt eine Kreislinie dar, die so angeordnet ist, daß von dieser Linie ausgehende, senkrecht auf der Oberfläche der Haube stehende gedachte Linien F die Vorderkante der Einlaßverkleidung 10 tangential berühren. In ähnlicher Weise stellen die Trennungslinien D zwischen den blanken Oberflächenteilen B und den schwarzen Oberflächenteilen der Streben 8 Kurven dar, die so verlaufen, daß von diesen Linien ausgehende und senkrecht auf der Oberfläche der Streben stehende gedachte Linien die Vorderkante der Einlaßverkleidung 10 tangential berühren.

Abgesehen von ihrer Oberflächenbeschaffenheit sind die Laufschaufeln 6 und die Haube 11 nicht im geringsten anders als die üblichen und benötigen auch keine anderen Einrichtungen für ihre zur Verhinderung der Vereisung erfolgende Beheizung.

Im Betrieb wird die Wärme, die den Heizmänteln durch das Heizmittel zugeführt wird, zu der Innenfläche des Statorgehäuses 2 und der Eintrittsverkleidung 10 geleitet. Die Erwärmung der Leitschaufeln 5 und der Eintrittsleitschaufeln 9 erfolgt ebenfalls durch Wärmeleitung über ihre Lagerungen. Auch die Streben 8 werden unmittelbar durch die durch die Vorderkante hindurchgeleitete Heizflüssigkeit beheizt. Ein Teil dieser Wärme wird dazu verwendet, diese feststehenden Teile eisfrei zu halten. Der größere Teil der verbleibenden Wärme wird von den Oberflächen dieser Teile, die mattschwarz gefärbt sind, ausgestrahlt und leicht von den ebenfalls schwarz gefärbten Oberflächen der Laufschaufeln 6 und der Haube 11 aufgenommen, so daß auch bei diesen Teilen die Eisbildung verhindert wird. Die auf diese Weise ausgetrahlte und aufgenommene Wärme erhöht die Temperatur der zwischen den ausstrahlenden und aufnehmenden Flächen hindurchströmenden Luft nicht bemerklich und vermeidet so die unerwünschten Wirkungen einer Erwärmung der Ladung.

Es ist übrigens bemerkenswert, daß die ausstrahlenden Oberflächen wesentlich größer als die aufnehmenden Flächen der Laufschaufeln und der Haube sind und daß die aufnehmenden Flächen außerdem im Verhältnis zu den ausstrahlenden Flächen günstig liegen, so daß sie einer von allen Seiten konzentrierten Wärmestrahlung ausgesetzt sind.

Die blanken Flächen B, B' und B" der Streben 8, der Einlaßverkleidung 10 und der Haube 11 sind so angeordnet, daß sie nicht an diesem Wärmeaustausch zwischen den festen und beweglichen oder abnehmbaren Teilen teilhaben können. Sie sind blank und werden poliert, um die Wärmemenge, die sie selbst entweder unmittelbar oder durch Reflexion nach außen abstrahlen, möglichst zu vermindern. Am stärksten ist das vordere Ende der Haube 11 der Vereisungsgefahr ausgesetzt, im dargestellten Beispiel also die Fläche B". Durch die Erfindung gelangt Wärme zu dieser Fläche in der folgenden Weise: Die Wärme wird zuerst von der Fläche A der Einlaßverkleidung 10 ausgestrahlt, dann von der Fläche C der Haube 11 aufgenommen und schließlich von hier durch Wärmeleitung von der Fläche C zu der Fläche B" weitergeleitet. Hier kann die Wärme das Vereisen verhindern, und infolge der polierten Oberfläche dieses Teiles sind die Verluste durch Strahlung nach außen auf ein Minimum herabgesetzt.

Es ist nicht zu vermeiden, daß eine bestimmte Wärmemenge von einer Metalloberfläche auf Luft übergeht, die mit niedrigerer Temperatur an dieser Fläche entlang strömt. Infolgedessen wird auch ein Teil der Wärme, die den ausstrahlenden Oberflächen zugeführt wird, von der in den Kompressor eintretenden Luft aufgenommen werden. Diese Verluste steigen mit steigender Temperaturdifferenz no zwischen den ausstrahlenden Flächen und der Luft. Es ist daher günstig, daß eine Vereisung nur selten unterhalb einer Temperatur von —6° auftritt, da bei wesentlich tieferen Temperaturen diese Wärmeverluste dies verhindern. Bei normalen Vereisungsbedingungen braucht die Temperatur der ausstrahlenden Flächen jedoch die Grenzen, die durch die derzeitig verfügbaren Materialien oder aus praktischen Erwägungen bezüglich der für die Erwärmung der ausstrahlenden Flächen benötigten Wärmemengen gegeben sind, nicht zu überschreiten, um die Temperatur der wärmeaufnehmenden Flächen über dem Gefrierpunkt des Wassers zu halten.

Wie schon erwähnt wurde, ist die Art und Weise, wie die Wärme den feststehenden Teilen, insbesondere den Leitschaufeln, den Streben und der Einlaß-

verkleidung vermittelt wird, für das Wesen der Erfindung unerheblich. Die Wärme kann also elektrisch oder durch Flüssigkeiten oder Gase zugeleitet werden. In dem dargestellten Beispiel ist zur Vereinfachung der Beschreibung ein flüssiges Heiz-. medium vorgesehen, doch ist die Verwendung elektrischer Heizelemente wahrscheinlich vorzuziehen, auf jeden Fall bei der Beheizung der Leitschaufeln. Das Wesentliche der Erfindung besteht in der Beheizung der beweglichen Teile, wie der Laufschaufeln, und der abnehmbaren Teile, wie der inneren Führungshaube, durch von den feststehenden Teilen des Kompressors ausgestrahlte Wärme. Es ist übrigens möglich, die Erfindung ganz oder auch nur zum Teil anzuwenden. Der beste Nutzen läßt sich aus der Erfindung bei Kompressoren mit kleinen, mit hoher Drehzahl umlaufenden Teilen ziehen, weil diese jeder anderen Beheizungsart beträchtliche mechanische Schwierigkeiten entgegenstellen. Die

ao hier dargestellte und beschriebene Ausführungsform stellt daher nur ein sinnfälliges Anwendungsbeispiel dar, und Abwandlungen in der Anordnung der Teile und geringere Abweichungen von der idealen mattschwarzen Oberfläche fallen infolgedesssen

as nicht aus dem Rahmen der Erfindung.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Kompressor für Flugzeug-Gasturbinen-

   Triebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß die von der zu verdichtenden Luft berührten, der Vereisungsgefahr unterliegenden Flächen mindestens teilweise dunkel gefärbt und der Strahlungswärme von entsprechend angeordneten Heizkörpern ausgesetzt sind.
2. 2. Kompressor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der der Vereisungsgefahr unterliegenden Teile des Rotors (3) dunkel gefärbt sind.
3. 3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkörper durch Teile des Stators (2) gebildet werden, deren Oberflächen den der Vereisungsgefahr unterliegenden Teilen des Rotors (3) gegenüberliegen und durch Wärmeleitung erhitzt werden.
4. 4. Kompressor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Oberflächen der Teile des Stators (2) dunkel gefärbt sind, die den der Vereisungsgefahr unterliegenden Teilen des Rotors (3) gegenüberliegen.
5. 5. Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenteile (B, B"), auf die man durch die Einlaßöffnung des Kompressors senkrecht sehen kann, blank sind.
6. 6. Kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenteile (B'), bei denen senkrecht von ihnen ausgehende Linien die blanken Oberflächenteile (B, B") treffen, auf die man durch die Einlaßöffnung des Kompressors senkrecht sehen kann, ebenfalls blank sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen