EP2268925B1 - Gasturbinenverdichter - Google Patents

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EP2268925B1
EP2268925B1 EP09727042.5A EP09727042A EP2268925B1 EP 2268925 B1 EP2268925 B1 EP 2268925B1 EP 09727042 A EP09727042 A EP 09727042A EP 2268925 B1 EP2268925 B1 EP 2268925B1
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EP
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valves
gas turbine
blow
openings
turbine compressor
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EP09727042.5A
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EP2268925A1 (de
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Sven-J. Hiller
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0238—Details or means for fluid reinjection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/684—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps by fluid injection

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine compressor with a compressor housing, guide vanes, blades, valve-controlled injection ports for stabilizing the compressor flow and a plurality of valves for controlling the amount of air blown through the injection ports, wherein a plurality of coupled with the control of the valves sensors distributed in the region of the blades on the circumference of the flow channel are.
  • Compressors may start pumping under certain operating conditions (throttle condition). Typically, the pumping results from an unstable flow condition. This condition can preferably occur in the partial load range (off-design state).
  • the compressor of gas turbines is designed for certain flight conditions in which it must provide the pre-calculated characteristics such as throughput, pressure ratio, efficiency, etc. But even beyond these design points, the compressor still has acceptable and safe operating characteristics, e.g. in the landing approach of an aircraft, where fast thrust changes and thus fast speed changes are required for adherence to a glide path. But even when starting in the lower speed range of the compressor to ensure proper flow and must allow a quick start up to full load.
  • the compressor map is also measured in the partial load range.
  • the so-called driving line the operating points on different speed lines interconnected, have a sufficient safety margin to the so-called surge limit, in which, as I said, a stall takes place on the compressor blades.
  • Solutions in the prior art are, in particular, the injection of air into the housing or rotor region of a compressor under certain operating conditions. By this lateral injection of air in the direction of blades to the flow in the compressor be stabilized.
  • the injection of air can be stationary (without changing the Einblasmassenstroms) or controlled by means of valves, the latter in the DE 10 2005 052 466 A1 and the US 6,125,626 is described.
  • the document US-A-5 340 271 relates to a gas turbine compressor with valve-controlled injection ports for stabilizing the compressor flow.
  • the control of the valves is coupled to sensors in the region of the blades, wherein a plurality of sensors are arranged distributed on the circumference of the flow channel.
  • the sensors are designed as a flow rate detecting hot wire sensors.
  • the document refers to a state of the art in which pressures are converted into control signals.
  • the object of the invention in contrast, is to make the stabilization of the flow by blowing in the area of the blades even more effective and precise.
  • the gas turbine compressor according to the invention of the aforementioned type provides that a plurality of pressure sensors distributed on the circumference of the flow channel are arranged upstream and downstream of the injection openings.
  • a plurality of pressure sensors distributed on the circumference of the flow channel upstream and downstream of the injection openings the pressures can be determined before and after introduction of the additional air, which is even more effective and permits even more precise regulation or control.
  • the injection ports should be located immediately upstream of the blades.
  • injection ports may also have one of numerous valves, to save components and costs.
  • valves assigned to the injection openings allow continuous, modulated or pulsed flows to be achieved.
  • Modular peripheral disorders can be eradicated by targeted anti-phase injection as in the case of anti-sounding.
  • peak-like disturbances can be effectively remedied by a quick, complete opening of one or more valves.
  • valve or valves are microvalves, in particular based on MEMS technology.
  • Such valves are characterized by a fast switchability and usually have an external actuator, which can also modulate / oscillate the valve (for example, with 400 Hz).
  • the control of the pressure sensors can be integrated in the respective pressure sensor itself, so that a pressure sensor is assigned to one or more valves and controls them directly, or a central control can be provided.
  • the actuators are in particular magnetic coils or piezo elements.
  • valves and the injection openings are located in particular in the outer housing, but also an inflow in the hub area is alternatively possible.
  • the invention further provides a method for stabilizing the gas turbine compressor flow by means of an electrical control coupled to a plurality of valves provided at the periphery of the flow passage at inflow ports.
  • the inventive method provides that the pressure conditions determined in the flow channel and depending on the valves are controlled. This determination is made directly via the pressure sensors.
  • the pressure conditions are detected in particular upstream and / or downstream of the inlet openings.
  • valves can optionally be continuous, modulated or pulsed open, the control allows for all these possibilities.
  • FIG. 1 is a multi-stage gas turbine compressor shown in axial design.
  • the gas turbine compressor has an annular compressor housing 2, arranged on the housing 2 vanes 4 and a plurality arranged on a rotor 6 blades 8.
  • the housing 2 Immediately upstream of the blade tip of a blade ring, the housing 2 on the circumference evenly distributed injection openings 10 on. Downstream of this blade ring 8, the housing 2 has outlet openings 12, are discharged via the compressed air from the annular channel 14 and, as shown by the arrow, is guided to the injection openings 10.
  • the air injected to stabilize the compressor flow is directed directly at the blade tip, such as FIG. 1 shows.
  • valves 16 connected to a controller 18 (see FIG. FIG. 2 ) are controlled.
  • the valves 16 are so-called microvalves, which in FIG. 4 are shown. These microvalves have dimensions of just about 10 x 15 mm surface and a thickness of about 1 mm and are particularly well to be placed on the outer housing 2 to save space.
  • Each injection port 10 has its own valve 16 associated therewith.
  • FIG. 3 It can be seen that there is a kind of ring of valves 16 which extend around the housing 2 and are fixed directly to the housing 2.
  • pressure sensors 20, 22 are mounted on the housing 2, which determine the pressure before, in the area or after the flown blades 8 (see FIG. 2 ).
  • microvalves one of which in FIG. 4 can be seen in greatly enlarged representation.
  • the actuator may be, for example, a small-sized magnetic coil 24 including plunger 26 or a piezo actuator.
  • the supply line 28 is shown for the branched air.
  • microvalves are attached to the housing 2, correspondingly many injection openings 10 are provided.
  • injection openings 10 are provided.
  • blade rings can be provided with its own ring of injection openings 10.
  • valves 20, 22 are closed via the control 18 or individual or all valves 20, 22 are opened simultaneously or successively.
  • Each valve 20, 22 is individually controlled so that synchronized control of all the valves 20, 22 is possible to produce any circumferential waveforms or circulating waves of injected air.
  • These circumferential shafts can compensate for circumferential disturbances of the compressor flow, as the compressors can often exhibit modal flow disturbances in certain operating conditions that can be damped or completely extinguished by the targeted antiphase injection.
  • the targeted opening, closing or modulating the incoming air quantity for beam generation can be compared to a steady, steady inflow of branched air significantly reduced.
  • the controller 18 may also be integrated in the microvalves 16.
  • valves 16 are closed again so as not to unnecessarily reduce the efficiency.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenverdichter mit einem Verdichtergehäuse, Leitschaufeln, Laufschaufeln, ventilgesteuerten Einblasöffnungen zum Stabilisieren der Verdichterströmung und mehreren Ventilen zur Steuerung der über die Einblasöffnungen eingeblasenen Luftmenge, wobei mehrere mit der Steuerung der Ventile gekoppelte Sensoren im Bereich der Laufschaufeln am Umfang des Strömungskanals verteilt angeordnet sind.
  • Verdichter können bei bestimmten Betriebsbedingungen (Drosselzustand) zu Pumpen beginnen. Typischerweise ergibt sich das Pumpen aus einem unstabilen Strömungszustand. Dieser Zustand kann vorzugsweise im Teillastbereich (Off-Design-Zustand) auftreten. Der Verdichter von Gasturbinen ist für bestimmte Flugzustände ausgelegt, in denen er die vorausberechneten Kennwerte wie Durchsatz, Druckverhältnis, Wirkungsgrad etc. erbringen muß. Aber auch jenseits dieser Auslegungspunkte hat der Verdichter noch akzeptable und sichere Betriebseigenschaften aufzuweisen, z.B. im Landeanflug eines Flugzeugs, wo für Einhaltung eines Gleitpfades schnelle Schubänderungen und damit schnelle Drehzahländerungen erforderlich sind. Aber auch beim Anlassen im unteren Drehzahlbereich hat der Verdichter für eine einwandfreie Strömung zu sorgen und muß ein schnelles Hochfahren auf Vollast ermöglichen.
  • Das Verdichterkennfeld wird natürlich auch im Teillastbereich vermessen. Zur Ermittlung eines sicheren Betriebsbereichs muß die sogenannte Fahrlinie, die Betriebspunkte auf unterschiedlichen Drehzahllinien miteinander verbindet, einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur sogenannten Pumpgrenze aufweisen, bei der, wie gesagt, ein Strömungsabriß an den Verdichterschaufeln stattfindet.
  • Bereits in der Vergangenheit gab es Ansätze, die Pumpgrenze möglichst weit zu niedrigen Durchsätzen zu verschieben, um die Fahrlinie in andere Bereiche bringen oder mit noch größerem Abstand zur Pumpgrenze festsetzen zu können.
  • Lösungen im Stand der Technik sind insbesondere das Einblasen von Luft in den Gehäuse- oder Rotorbereich eines Verdichters bei bestimmten Betriebsbedingungen. Durch dieses seitliche Einblasen von Luft in Richtung Laufschaufeln soll die Strömung im Verdichter stabilisiert werden. Das Einblasen von Luft kann stationär (ohne Änderung des Einblasmassenstroms) oder gesteuert mit Hilfe von Ventilen erfolgen, wobei letzteres in der DE 10 2005 052 466 A1 und der US 6 125 626 beschrieben ist.
  • Das Dokument US-A-5 340 271 betrifft einen Gasturbinenverdichter mit ventilgesteuerten Einblasöffnungen zum Stabilisieren der Verdichterströmung. Die Steuerung der Ventile ist mit Sensoren im Bereich der Laufschaufeln gekoppelt, wobei mehrere Sensoren am Umfang des Strömungskanals verteilt angeordnet sind. Die Sensoren sind dabei als die Strömungsgeschwindigkeit erfassende Hitzdrahtsensoren ausgeführt. Das Dokument verweist auf einen Stand der Technik, bei dem Drücke in Steuersignale umgewandelt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, die Stabilisierung der Strömung durch Einblasung im Bereich der Laufschaufeln noch effektiver und präziser zu machen.
  • Hierzu sieht der erfindungsgemäße Gasturbinenverdichter der eingangs genannten Art vor, dass mehrere am Umfang des Strömungskanals verteilte Drucksensoren stromauf- und stromabwärts der Einblasöffnungen angeordnet sind. Dadurch, dass mehrere, am Umfang des Strömungskanals verteilte Drucksensoren stromauf- und stromabwärts der Einblasöffnungen vorgesehen sind, können die Drücke vor und nach Einleitung der zusätzlichen Luft ermittelt werden, was noch effektiver ist und eine noch präzisere Regelung bzw. Steuerung ermöglicht.
  • Die Einblasöffnungen sollten unmittelbar stromaufwärts der Laufschaufeln angeordnet sein.
  • Da es beim Pumpen Strömungszustände gibt, bei denen modulare Umfangsstörungen auftreten, ist es vorteilhaft, jeder Einblasöffnung ein eigenes Ventil zuzuordnen.
  • Natürlich können auch mehrere Einblasöffnungen eines von zahlreichen Ventilen aufweisen, um Bauteile und Kosten zu sparen.
  • Über die zahlreichen, den Einblasöffnungen zugeordneten Ventile lassen sich kontinuierliche, modulierte oder gepulste Strömungen erzielen.
  • Modulare Umfangsstörungen können durch gezielte gegenphasige Einblasung wie beim Antischall sozusagen gelöscht werden. Natürlich können auch kurzzeitige, peakartige Störungen durch ein schnelles, vollständiges Öffnen eines oder mehrerer Ventile wirksam behoben werden.
  • Das oder die Ventile sind Mikroventile, insbesondere basierend auf MEMS-Technologie.
  • Derartige Ventile zeichnen sich durch eine schnelle Schaltbarkeit aus und besitzen meist einen externen Aktuator, der das Ventil auch Modulieren/Schwingen lassen kann (z.B. mit 400 Hz).
  • Die Steuerung der Drucksensoren kann in dem jeweiligen Drucksensor selbst integriert sein, so daß ein Drucksensor einem oder mehreren Ventilen zugeordnet ist und diese unmittelbar steuert, oder es kann eine zentrale Steuerung vorgesehen sein.
  • Die Aktuatoren sind insbesondere Magnetspulen oder Piezoelemente.
  • Die Ventile sowie die Einblasöffnungen sitzen insbesondere im Außengehäuse, wobei aber auch alternativ eine Einströmung im Nabenbereich möglich ist.
  • Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Stabilisieren der Gasturbinenverdichterströmung mittels einer elektrischen Steuerung, die mit mehreren, am Umfang des Strömungskanals vorgesehenen Ventilen an Einströmöffnungen gekoppelt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die Druckverhältnisse im Strömungskanal ermittelt und abhängig hiervon die Ventile angesteuert werden. Diese Ermittlung erfolgt unmittelbar über die Drucksensoren.
  • Die Druckverhältnisse werden insbesondere stromauf- und/oder stromabwärts der Einströmöffnungen erfaßt.
  • Wie bereits erläutert, können die Ventile wahlweise kontinuierlich, moduliert oder gepulst geöffnet werden, die Steuerung läßt alle diese Möglichkeiten zu.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
  • In den Zeichnungen zeigen:
    • Figur 1 eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gasturbinenverdichter,
    • Figur 2 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Verdichters im Bereich einer Laufschaufel, wobei Leitschaufeln zur Steigerung der Übersichtlichkeit weggelassen sind,
    • Figur 3 eine perspektivische Draufsicht auf einen Teil des Verdichtergehäuses,
    • Figur 4 eine vergrößerte Ansicht im Bereich eines Mikroventils, das beim erfindungsgemäßen Verdichter eingesetzt wird.
  • In Figur 1 ist ein mehrstufiger Gasturbinenverdichter in axialer Bauart dargestellt. Der Gasturbinenverdichter hat ein ringförmiges Verdichtergehäuse 2, am Gehäuse 2 angeordnete Leitschaufeln 4 sowie mehrere auf einem Rotor 6 angeordnete Laufschaufeln 8. Unmittelbar stromaufwärts der Schaufelspitze eines Laufschaufelkranzes weist das Gehäuse 2 zahlreiche am Umfang gleichmäßig verteilte Einblasöffnungen 10 auf. Stromabwärts dieses Laufschaufelkranzes 8 besitzt das Gehäuse 2 Auslaßöffnungen 12, über die verdichtete Luft aus dem Ringkanal 14 abgelassen und, wie durch den Pfeil dargestellt, zu den Einblasöffnungen 10 geführt wird.
  • Die zum Stabilisieren der Verdichterströmung eingeblasene Luft ist direkt auf die Schaufelspitze gerichtet, wie Figur 1 zeigt.
  • Die Menge der eingeblasenen Luft wird durch Ventile 16, die mit einer Steuerung 18 (vgl. Figur 2) gekoppelt sind, gesteuert. Die Ventile 16 sind sogenannte Mikroventile, die in Figur 4 dargestellt sind. Diese Mikroventile haben Abmaße von gerade mal etwa 10 x 15 mm Fläche und einer Dicke von etwa 1 mm und eignen sich besonders gut, platzsparend am Außengehäuse 2 angeordnet zu werden.
  • Jede Einblasöffnung 10 hat ein eigenes, ihm zugeordnetes Ventil 16.
  • In Figur 3 ist zu erkennen, daß es ein Art Ring von Ventilen 16 gibt, die um das Gehäuse 2 herum verlaufen und unmittelbar am Gehäuse 2 befestigt sind.
  • Um kritische Strömungszustände unmittelbar zu erfassen, sind stromauf- und/oder stromabwärts der Einblasöffnungen 10 Drucksensoren 20, 22 am Gehäuse 2 angebracht, die den Druck vor, im Bereich oder nach den angeströmten Laufschaufeln 8 bestimmen (siehe Figur 2).
  • Es sind am Umfang verteilt zahlreiche Drucksensoren 20, 22 angeordnet, wie in Figur 3 zu sehen ist.
  • Im folgenden wird etwas detaillierter auf die Mikroventile eingegangen, von denen eines in Figur 4 in stark vergrößerter Darstellung zu sehen ist.
  • Mit jedem Ventil 16 ist jeweils ein Aktuator gekoppelt. Der Aktuator kann beispielsweise eine kleinbauende Magnetspule 24 samt Stößel 26 oder ein Piezoaktuator sein. In Figur 4 ist auch die Zuführleitung 28 für die abgezweigte Luft dargestellt.
  • Insgesamt wird eine große Anzahl (400 bis 800) Mikroventile am Gehäuse 2 befestigt, entsprechend viele Einblasöffnungen 10 sind vorgesehen. Natürlich können auch mehrere Laufschaufelkränze mit einem eigenen Ring von Einblasöffnungen 10 vorgesehen sein.
  • Abhängig davon, welche Druckverhältnisse aktuell von den Drucksensoren 20, 22 ermittelt werden, werden über die Steuerung 18 sämtliche Ventile 20, 22 geschlossen oder einzelne oder sämtliche Ventile 20, 22 gleichzeitig oder nacheinander geöffnet. Jedes Ventil 20, 22 wird individuell angesteuert, so daß eine synchronisierte Ansteuerung sämtlicher Ventile 20, 22 möglich ist, um beliebige Umfangswellenformen oder umlaufende Wellen von eingeblasener Luft zu erzeugen. Diese Umfangswellen können Umfangsstörungen der Verdichterströmung ausgleichen, da die Verdichter oftmals modale Umfangsströmungsstörungen in bestimmten Betriebszuständen zeigen können, die durch die gezielte gegenphasige Einblasung gedämpft oder völlig gelöscht werden können.
  • Durch das gezielte Öffnen, Schließen oder Modulieren läßt sich die einströmende Luftmenge zur Strahlerzeugung verglichen mit einer stationären, stetigen Einströmung von abgezweigter Luft deutlich reduzieren.
  • Die Steuerung 18 kann auch in die Mikroventile 16 integriert sein.
  • Sobald der kritische Betriebsbereich verlassen ist, werden die Ventile 16 natürlich wieder geschlossen, um den Wirkungsgrad nicht unnötig zu verringern.

Claims (6)

  1. Gasturbinenverdichter,
    mit einem Verdichtergehäuse (2), Leitschaufeln (4), Laufschaufeln (8), ventilgesteuerten Einblasöffnungen (10) zum Stabilisieren der Verdichterströmung und mehreren Ventilen (16) zur Steuerung der über die Einblasöffnungen (10) eingeblasenen Luftmenge, wobei mehrere mit der Steuerung (18) der Ventile (16) gekoppelte Sensoren (20, 22) im Bereich der Laufschaufeln (8) am Umfang des Strömungskanals (14) verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die sensoren Drucksensoren (20,22) sind und stromauf- und stromabwärts der Einblasöffnungen (10) angeordnet sind.
  2. Gasturbinenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasöffnungen (10) unmittelbar stromaufwärts der zusätzlich luftbeströmten Laufschaufeln (8) angeordnet sind.
  3. Gasturbinenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einblasöffnung (10) ein eigenes Ventil (16) zugeordnet ist.
  4. Gasturbinenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (16) Mikroventile sind.
  5. Verfahren zum Stabilisieren der Gasturbinenverdichterströmung eines Gasturbinenverdichters nach Anspruch 1 mittels einer elektrischen Steuerung (18), die mit den am Umfang des Strömungskanals (14) angeordneten Ventilen (16) an den Einströmöffnungen (10) gekoppelt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Druckverhältnisse im Strömungskanal (14) ermittelt und abhängig hiervon die Ventile (16) angesteuert werden, und dass die Druckverhältnisse stromauf- und stromabwärts der Einströmöffnungen (10) erfasst werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (16) wahlweise kontinuierlich, moduliert oder gepulst geöffnet werden.
EP09727042.5A 2008-04-02 2009-04-02 Gasturbinenverdichter Not-in-force EP2268925B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008016800A DE102008016800A1 (de) 2008-04-02 2008-04-02 Gasturbinenverdichter
PCT/DE2009/000461 WO2009121350A1 (de) 2008-04-02 2009-04-02 Gasturbinenverdichter

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EP2268925A1 EP2268925A1 (de) 2011-01-05
EP2268925B1 true EP2268925B1 (de) 2015-01-21

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US (1) US8628291B2 (de)
EP (1) EP2268925B1 (de)
CA (1) CA2720172A1 (de)
DE (1) DE102008016800A1 (de)
WO (1) WO2009121350A1 (de)

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