EP2136032A2 - Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen, mehrere Verdichtermodule umfassenden Verdichtereinheit - Google Patents

Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen, mehrere Verdichtermodule umfassenden Verdichtereinheit Download PDF

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EP2136032A2
EP2136032A2 EP09005734A EP09005734A EP2136032A2 EP 2136032 A2 EP2136032 A2 EP 2136032A2 EP 09005734 A EP09005734 A EP 09005734A EP 09005734 A EP09005734 A EP 09005734A EP 2136032 A2 EP2136032 A2 EP 2136032A2
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EP
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compressor
gas turbine
drive shaft
modules
unit
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/026—Multi-stage pumps with a plurality of shafts rotating at different speeds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/022—Units comprising pumps and their driving means comprising a yielding coupling, e.g. hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with at least one multi-stage compressor unit.
  • the several compressor stages are designed to be compatible only for high compression ratios under high loads and are inseparable.
  • Part-load or idling operation is thus very limited:
  • the compressor is operated under partial load or idle forcibly at higher compression ratios.
  • unnecessary power and thus e.g. also unnecessarily consumes fuel. Consequently, the compressor is in part-load operation, e.g. can make a high proportion of the total operating time in an engine, much uneconomical.
  • the invention has for its object to provide a gas turbine with at least one multi-stage compressor unit, which can be adapted to different load conditions with a simple structure and simple, reliable operation.
  • a gas turbine with at least one multi-stage compressor unit in which the compressor unit is constructed from individual, independent compressor modules, which are mounted rotatably on a drive shaft independently of each other and can be connected to the drive shaft or decoupled from the drive shaft by means of at least one coupling unit.
  • a multi-stage compressor e.g., low pressure, medium pressure and high pressure compressor
  • the compressor with the associated, inseparable stages is broken down into suitable individual compressor modules.
  • Each compressor module itself consists of a partial compressor with a suitable number of stages, a suitable bearing and a suitable coupling (eg mechanical, hydraulic, pneumatic, electric, magnetic coupling, frictional coupling, etc.), the part compressor as needed together with the drive shaft or can decouple from her.
  • any number of compressor modules (but not more than the number of stages of the total compressor itself) can be designed.
  • all the compressor modules can be coupled by means of couplings to the drive shaft, for example, to ensure high compression ratios at high load, or any compressor modules (if necessary, all) are decoupled from the compression or from the drive shaft, for example, low compression ratios To ensure partial load or idle.
  • any compressor modules if necessary, all
  • the control of the individual compressor modules or their couplings can be carried out, for example, by the engine-side electronic control (EEC: Electric Engine Control).
  • the stages that reach their limits the earliest in partial load are grouped in a compressor module.
  • This compressor module can be decoupled from the drive shaft before reaching the critical limit. It now runs on its own storage, powered only by the draft. Consequently, the critical limits for these stages on this decoupled compressor module eliminates the risk of e.g. entire engine for this operating case deleted. Compressor performance can now be further throttled until the next stages on the next compressor module (regardless of what the next compressor module is) reach their limits. Also this compressor module can be decoupled before reaching the limit. This process can be continued as required.
  • the critical limit of the overall compressor system is shifted by suitable decoupling of compressor modules at part load to much lower compression ratios.
  • the compressor can be operated at part load at even lower compression ratios than in a previous design.
  • This allows the compressor to be operated at part-load or idling at optimum compression ratios (and not at unnecessarily high compression ratios, wasting power and thus, for example, fuel).
  • part load / idle e.g. can make a high proportion of the total operating time in an engine, the engine operation is significantly more economical overall.
  • the individual compressor stages are designed for high stage compaction ratios in order to ensure the most compact and lightweight construction possible.
  • the modular compressor offers the following improvement in operation: With a requirement of any moderate total compression ratio at part load, so many suitable compressor modules can be decoupled until the remaining coupled compressor modules suffice to meet this requirement suffice. As a result, the stages of coupled compressor modules provide higher stage compression ratios than if all the compressor modules were active (the required overall compression ratio is distributed over a few "active" stages). The now coupled with relatively higher compression ratios stages coupled compressor modules have better overall efficiency, because all compressor stages are designed for higher compression ratios. As a result, for example, the entire engine can be operated more efficiently in partial load, which leads to fuel savings and thus to better economy of the engine.
  • the starting process of the engine is significantly improved.
  • an engine When starting an engine, an engine must accelerate a suitable shaft system, consisting of a drive shaft, an associated compressor and an associated turbine, from a standstill to a minimum speed. From this speed, the engine is able to keep itself “alive” or to accelerate further.
  • the entire compressor must be mitbeuggt, which leads to an increase in inertia of the shaft system.
  • engine power thereby increases the time required to reach the minimum speed (at very low outside temperatures, which leads to increase in oil toughness, reaching the minimum speed takes even longer, if achievable), which is not desirable in a real flight operation.
  • areas with very low compression ratios which are very close to the critical limits, are treaded. As a precautionary measure during the starting process, therefore, air is tapped or discharged from the compressor, which is also uneconomical.
  • suitable compressor modules can also be decoupled during the starting process, the operating points of which would otherwise be close to the critical limits during the starting process and thus pose a threat to the entire engine.
  • the shaft system With the decoupling of the compressor modules, the shaft system has a much lower inertia, whereby at a given engine power, the shaft system can be accelerated much faster, without getting close to the critical limits. Is the required Achieved minimum speed and sufficient distance from the critical limit, if necessary, further compressor modules can be coupled together with the drive shaft.
  • Prior art compressor unit includes a drive shaft 1, which is rotated in a known manner by a turbine or turbine unit of a gas turbine and which is fixedly connected to the individual rotors of the compressor unit 2.
  • the compressor unit 2 comprises several stages, as shown schematically in FIG Fig. 1 is shown.
  • the compressor unit 2 is divided into individual compressor modules 3, 4, 5. These each include different compressor stages, each, analogous to Fig. 1 , a rotor and a stator. Each rotor and each stator has at least one row of rotor blades or stator blades, as is also known from the prior art.
  • the Fig. 2 shows that the individual compressor modules 3, 4, 5 are each rotatably supported by bearing elements 12, 13, 14 by means of bearings 6, 7, 8 on the drive shaft 1. Independently of the rotation of the drive shaft, the compressor modules 3, 4, 5 can thus be set in rotation or have a relative speed to the drive shaft 1.
  • the storage by means of the bearings 6, 7, 8 is shown only schematically, it is understood that these bearings include both an axial, as well as a radial bearing.
  • a clutch or coupling unit 9, 10, 11 is provided in each case.
  • the coupling units 9-11 1 are each independently operable.
  • the clutch 10 is shown in the released, decoupled state, while the clutches 9 and 11 are engaged, so that the compressor modules 3 and 5 are rotatably connected to the drive shaft 1, while the compressor module 4 is not rotatably connected to the drive shaft 1.
  • the couplings according to the invention can be designed mechanically, hydraulically, pneumatically or in another way.
  • the actuation of the coupling units 9-11 can take place by means of suitable servo elements, electrically or hydraulically.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit 2, wobei die Verdichtereinheit 2 aus einzelnen, unabhängigen Verdichtermodulen 3-5 aufgebaut sind, welche unabhängig voneinander drehbar auf einer Antriebswelle 1 gelagert und jeweils mittels zumindest einer Kupplungseinheit 9-11 mit der Antriebswelle 1 verbindbar sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit.
  • Bei mehrstufigen Verdichtern, z.B. mehrstufigen Hochdruckverdichtem von Flugtriebwerken, werden alle Verdichterstufen zusammengehörend für die Hochlast ausgelegt. Beim Betrieb dieser Verdichter ist neben der Hochlast jedoch auch Teillast bzw. Leerlaufbetrieb verlangt, die durch deutlich niedrigere Verdichtungsverhältnisse gekennzeichnet sind.
  • Die mehreren Verdichterstufen werden nur für hohe Verdichtungsverhältnisse bei Hochlasten zusammengehörend ausgelegt und sind untrennbar.
  • Der Teillast- bzw. der Leerlaufbetrieb wird somit sehr eingeschränkt:
  • Das geforderte, niedrige Verdichtungsverhältnis bei Teillast bzw. Leerlauf wird auf alle Stufen verteilt. Jede Stufe selbst muss daher ein sehr geringes Verdichtungsverhältnis leisten. Dies kann im Betrieb nicht realisiert werden, weil einige Stufen sehr nahe an ihre eigenen, kritischen und zu vermeidenden Pumpgrenzen kommen und somit den ganzen Verdichter und folglich z.B. das ganze Triebwerk gefährden.
  • Als Gegenmaßnahme dazu wird der Verdichter im Teillast bzw. Leerlauf zwangsweise bei höheren Verdichtungsverhältnissen betrieben. Dadurch wird unnötig Leistung und damit z.B. auch unnötig Treibstoff verbraucht. Folglich ist der Verdichter im Teillast- bzw. Leerlaufbetrieb, die z.B. bei einem Triebwerk einen hohen zeitlichen Anteil an der Gesamtbetriebsdauer bilden können, wesentlich unwirtschaftlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Wirkungsweise unterschiedlichen Lastbedingungen angepasst werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit eine Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit geschaffen, bei welcher die Verdichtereinheit aus einzelnen, unabhängigen Verdichtermodulen aufgebaut ist, welche unabhängig voneinander drehbar auf einer Antriebswelle gelagert sind und jeweils mittels zumindest einer Kupplungseinheit mit der Antriebswelle verbindbar bzw. von dieser entkoppelbar sind.
  • Erfindungsgemäß ist ein mehrstufiger Verdichter (z.B. Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruckverdichter) in modularer Bauweise gestaltet. Dies bedeutet, dass der Verdichter mit den zusammengehörenden, untrennbaren Stufen in geeignete, einzelne Verdichtermodule zerlegt wird. Jedes Verdichtermodule selbst besteht aus einem Teilverdichter mit geeigneter Stufenanzahl, einer geeigneten Lagerung und einer geeigneten Kupplung (z.B. mechanische, hydraulische, pneumatische, elektrische, magnetische Kupplung, Reibschlusskupplung, etc.), die den Teilverdichter je nach Bedarf mit der Antriebswelle zusammen- bzw. von ihr entkoppeln kann. Je nach Bedarf können beliebig viele Verdichtermodule (jedoch nicht mehr als die Stufenanzahl des Gesamtverdichters selbst) konzipiert werden.
  • Je nach Bedarf können alle Verdichtermodule mittels der Kupplungen an die Antriebswelle gekoppelt werden, um z.B. hohe Verdichtungsverhältnisse bei Hochlast zu gewährleisten, oder auch beliebige Verdichtermodule (wenn nötig auch alle) von der Verdichtung bzw. von der Antriebswelle entkoppelt werden, um z.B. geringe Verdichtungsverhältnisse bei Teillast oder Leerlauf zu gewährleisten. Bei einer Anzahl von X Modulen entstehen somit insgesamt zwei potenziert mit X Kombinationsmöglichkeiten. Mit steigender Modulanzahl vervielfältigen sich die Kombinationsmöglichkeiten entsprechend. Die Steuerung der individuellen Verdichtermodule bzw. derer Kupplungen kann z.B. durch die Triebwerksseitige elektronische Steuerung (EEC: Electric Engine Control) durchgeführt werden.
  • Beispiel der Funktionsweise des modularen Verdichters: z.B. bei Teillast:
  • Die Stufen, die im Teillast am frühesten an ihre Grenzen kommen, sind in einem Verdichtermodul eingruppiert. Dieses Verdichtermodul kann vor Erreichen der kritischen Grenze von der Antriebswelle entkoppelt werden. Es läuft jetzt auf einer eigenen Lagerung, nur durch den Luftzug angetrieben, mit. Folglich entfallen die kritischen Grenzen für diese Stufen auf diesem entkoppelten Verdichtermodul wodurch auch die Gefährdung des z.B. ganzen Triebwerks für diesen Betriebsfall entfällt. Die Verdichterleistung kann jetzt weiter angedrosselt werden, bis die nächsten Stufen auf dem nächsten Verdichtermodul (unabhängig davon, welches das nächste Verdichtermodul ist) an ihre Grenzen kommen. Auch dieses Verdichtermodul kann vor Erreichen der Grenze entkoppelt werden. Dieser Prozess kann je nach Bedarf beliebig fortgesetzt werden.
  • Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus:
  • Die kritische Grenze des Gesamtverdichtersystems wird durch geeignete Entkopplungen von Verdichtermodulen bei Teillast zu wesentlich niedrigeren Verdichtungsverhältnissen verschoben. Dadurch kann der Verdichter im Teillast bei noch niedrigeren Verdichtungsverhältnissen betrieben werden als bei einer bisherigen Auslegung. Dadurch kann der Verdichter dann bei Teillast bzw. Leerlauf bei optimalen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden (und nicht bei unnötig hohen Verdichtungsverhältnissen, bei denen Leistung und damit z.B. Treibstoff verschwendet werden). Mit der Optimierung im Teillast/Leerlauf, die z.B. bei einem Triebwerk einen hohen zeitlichen Anteil an der Gesamtbetriebsdauer bilden können, wird der Triebwerksbetrieb insgesamt deutlich wirtschaftlicher.
  • Die einzelnen Verdichterstufen sind für hohe Stufenverdichtungsverhältnisse ausgelegt, um eine möglichst kompakte und leichte Bauweise zu gewährleisten.
  • Der modulare Verdichter bietet folgende Verbesserung im Betrieb an: Bei einer Anforderung eines beliebigen, moderaten Gesamtverdichtungsverhältnisses im Teillast können so viele, geeignete Verdichtermodule entkoppelt werden, bis die restlichen, gekoppelten Verdichtermodule ausreichen, dieser Anforderung zu genügen. Dadurch leisten die Stufen von gekoppelten Verdichtermodulen höhere Stufenverdichtungsverhältnisse als wenn alle Verdichtermodule aktiv wären (das geforderte Gesamtverdichtungsverhältnis wird auf wenige, "aktive" Stufen verteilt). Die jetzt bei vergleichsweise höheren Verdichtungsverhältnissen arbeitenden Stufen gekoppelter Verdichtermodule weisen insgesamt besseren Wirkungsgrad auf, weil alle Verdichterstufen auf höhere Verdichtungsverhältnisse ausgelegt sind. Dadurch kann z.B. das gesamte Triebwerk im Teillast effizienter betrieben werden, was zur Treibstoffeinsparung und damit zur besseren Wirtschaftlichkeit des Triebwerks führt.
  • Mit der vorgeschlagenen Anordnung wird auch der Startvorgang des Triebwerks wesentlich verbessert. Beim Start eines Triebwerks muss ein Motor ein geeignetes Wellensystem, bestehend aus einer Antriebswelle, einem dazugehörigen Verdichter und einer dazugehörigen Turbine, vom Stillstand aus auf eine Mindestdrehzahl beschleunigen. Ab dieser Drehzahl ist das Triebwerk fähig, sich selbst "am Leben" zu halten bzw. weiter zu beschleunigen.
  • Ist der Verdichter herkömmlich ausgelegt, muss der ganze Verdichter mitbeschleunigt werden, was zu einer Trägheitserhöhung des Wellensystems führt. Bei gleicher Motorleistung steigt dadurch die benötigte Zeit bis Erreichen der Mindestdrehzahl (bei sehr niedrigen Außentemperaturen, was zur Erhöhung der Ölzähigkeit führt, dauert das Erreichen der Mindestdrehzahl noch länger, wenn überhaupt erreichbar), was in einem realen Flugbetrieb nicht wünschenswert ist. Gleichzeitig werden Gebiete mit sehr niedrigen Verdichtungsverhältnissen beschritten, die sehr nahe den kritischen Grenzen liegen. Als Gefahrenmeidung beim Startvorgang wird deshalb Luft vom Verdichter abgezapft bzw. abgeführt, was ebenfalls unwirtschaftlich ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können auch beim Startvorgang geeignete Verdichtermodule entkoppelt werden, deren Betriebspunkte sonst beim Startvorgang nahe den kritischen Grenzen liegen würden und damit eine Gefährdung des gesamten Triebwerks bilden würden. Mit der Entkopplung der Verdichtermodule weist das Wellensystem eine wesentlich geringere Trägheit auf, wodurch bei gegebener Motorleistung das Wellensystem deutlich schneller beschleunigt werden kann, ohne nahe an die kritischen Grenzen zu kommen. Ist die erforderliche Mindestdrehzahl erreicht und genügend Abstand von der kritischen Grenze gewährleistet, können bei Bedarf weitere Verdichtermodule mit der Antriebswelle zusammengekoppelt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Verdichtereinheit, und
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Verdichtereinheit.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Verdichtereinheit gemäß dem Stand der Technik umfasst eine Antriebswelle 1, welche in bekannter Weise von einer Turbine oder Turbineneinheit einer Gasturbine in Drehung versetzt wird und welche mit den einzelnen Rotoren der Verdichtereinheit 2 fest verbunden ist. Die Verdichtereinheit 2 umfasst mehrere Stufen, so wie dies schematisch in Fig. 1 dargestellt ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Verdichtereinheit 2 in einzelne Verdichtermodule 3, 4, 5 unterteilt. Diese umfassen jeweils unterschiedliche Verdichterstufen, die jeweils, analog zur Fig. 1, einen Rotor und einen Stator umfassen. Jeder Rotor und jeder Stator weist zumindest eine Reihe von Rotorschaufeln bzw. Statorschaufeln auf, so wie dies aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist.
  • Die Fig. 2 zeigt, dass die einzelnen Verdichtermodule 3, 4, 5 jeweils über Lagerelemente 12, 13, 14 mittels Lagern 6, 7, 8 an der Antriebswelle 1 drehbar gelagert sind. Unabhängig von der Drehung der Antriebswelle können somit die Verdichtermodule 3, 4, 5 in Drehung versetzt werden oder eine Relativgeschwindigkeit zu der Antriebswelle 1 aufweisen. Die Lagerung mittels der Lager 6, 7, 8 ist nur schematisch dargestellt, es versteht sich, dass diese Lager sowohl eine axiale, als auch eine radiale Lagerung umfassen.
  • Zwischen den Lagerelementen 12, 13, 14 und der Antriebswelle 1 ist jeweils eine Kupplung bzw. Kupplungseinheit 9, 10, 11 vorgesehen. Die Kupplungseinheiten 9-11 1 sind jeweils unabhängig voneinander betätigbar. So ist die Kupplung 10 im gelösten, entkoppelten Zustand dargestellt, während die Kupplungen 9 und 11 eingekuppelt sind, so dass die Verdichtermodule 3 und 5 drehfest mit der Antriebswelle 1 verbunden sind, während das Verdichtermodul 4 nicht drehfest mit der Antriebswelle 1 verbunden ist.
  • Die erfindungsgemäßen Kupplungen können mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder in anderer Weise ausgebildet sein. Die Betätigung der Kupplungseinheiten 9-11 kann mittels geeigneter Servoelemente, elektrisch oder hydraulisch erfolgen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebswelle
    2
    VerdichterNerdichtereinheit
    3-5
    Verdichtermodul
    6-8
    Lager
    9-11
    Kupplung/Kupplungseinheit
    12-14
    Lagerelement

Claims (7)

  1. Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen Verdichtereinheit (2), wobei die Verdichtereinheit (2) aus einzelnen, unabhängigen Verdichtermodulen (3-5) aufgebaut ist, welche unabhängig voneinander drehbar auf einer Antriebswelle (1) gelagert und jeweils mittels zumindest einer Kupplungseinheit (9-11) mit der Antriebswelle (1) verbindbar sind.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtermodul (3-5) eine Verdichterstufe mit einem mehrere Rotorschaufeln umfassenden Rotor und einem mehrere Statorschaufeln umfassenden Stator umfasst.
  3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtermodul (3-5) mehrere Verdichterstufen mit jeweils einem mehrere Rotorschaufeln umfassenden Rotor und mehrere, jeweils mehrere Statorschaufeln umfassenden Statoren umfasst.
  4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinheit (9-11) unabhängig einkuppelbar und auskuppelbar ist.
  5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Verdichtermodule (3-5) unabhängig von der Antriebswelle (1) entkoppelt oder mit dieser gekoppelt werden können.
  6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit (2) in Form eines Hochdruckverdichters ausgebildet ist.
  7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit (2) in Form eines Niederdruckverdichters ausgebildet ist.
EP09005734.0A 2008-06-18 2009-04-23 Gasturbine mit zumindest einer mehrstufigen, mehrere Verdichtermodule umfassenden Verdichtereinheit Withdrawn EP2136032A3 (de)

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