SE469187B - Saett att omvandla en flygplansturboflaektmotor till icke- aeronautisk anvaendning samt omvandlad kraftanlaeggning - Google Patents

Description

469 187 moment kan utövas mot lasten via drivturbinen även om driv- turbinen förblir stillastående. I motsats härtill uppvisar enaxelsystem icke något lagrat vridmoment, eftersom lasten är direkt ansluten till turbinen och kompressorn. Då därför lasten är icke-roterande kommer kompressorn och turbinen icke heller att rotera och ingen drivkraft kommer att utövas mot lasten. I sådana system erfordras stora startmotorer för att rotera kompressorturbinen och lasten för att starta motorn. Enaxel- system har emellertid fördelar över system som inkorporerar en fri drivturbin såsom den utvunna effekten, då atmosfärtempera- turen ökar. Det är allmänt känt att då lasten består av en generator kommer system som har en drivturbin att undergå en större minskning av avgiven effekt än exaxliga system i vilka generatorn slutar i rotorn och kompressorn och turbinen därför roterar med relativt konstant hastighet. Enaxliga system är även fördelaktiga i samband med plötslig minskning av lastens storlek. I ett enaxligt system kommer, då lasten frikopplas på antingen elektrisk eller mekanisk väg från turbinen, turbinen att fortsätta att vara ansluten till kompressorn vilket åstad- kommer skydd mot överhastighet. I drivturbinsystem är emeller- tid, då lasten frikopplas drivturbinen icke ansluten till någon annan komponent som kan begränsa dess överhastighet såsom en kompressor, och därför är drivturbinen i mycket större ut- sträckning utsatt för snabb överhastighet, vilket kan resultera i skada på drivturbinen och hela kraftanläggningen då kritiska påkänningar uppstår i drivturbinen.

Andra överväganden vid utveckling och val av gasturbinmotor inkluderar kostnader, tillförlitlighet och graden av erfarenhet av det aktuella gasturbinmotorsystemet. Många industriella kraftanläggningar har använt motorer som är utvecklade från flygplansmotorer och dessa industriella motorer har därför kunnat dra nytta av befintliga erfarenheter och teknologi hos flygplansmotorer. Dessutom har användning av flygplansmotorer resulterat i relativt lätta motorer vilket är särskilt värde- fullt för vissa tillämpningar. Dessa på basis av flygplans- motorer utvecklade system har innefattat användning av driv- 469 187 turbiner vilka samtidigt som de uppvisar sina fördelar även har sina respektive nackdelar som har samband med den ökade kostna- den att tillhandahålla en extra drivturbin. Dessa drivturbiner är vidare icke typiskt använda i de flygplansmotorer från vilka dessa industriella motorer har utvecklats och de erfordrar där- för ytterligare formgivning och systemmodifiering. Sådana avan- cerade flygplansgasturbinmotorer använder ofta flera kompresso- rer med en högtryckskompressor anbragt vid en högtrycksturbin via en ihålig axel och en lågtryckskompressor anbragt vid en lågtrycksturbin via en axel som sträcker sig genom den ihåliga högtrycksaxeln. Vid många tillämpningar kan det vara önskvärt att ha den axel som driver lasten placerad uppströms om komp- ressorerna. Exempelvis kan ångpannor placeras nedströms om motorn för att generera ånga för insprutning i motorn. Då emellertid även lasten är belägen nedströms om drivturbinen nödvändiggöres icke önskade förändringar av strömningsbanan för att tillförsäkra luftflödet för att uppvärma pannorna. Vid dessa avancerade gasturbinanläggningar med flera axlar är det emellertid tyvärr opraktiskt att anordna en ytterligare axel som sträcker sig från drivturbinen genom motorn så att axeln kan anslutas till en last uppströms om kompressorerna. Dessutom erfordrar från flygplansmotorer utvecklade anläggningar typiskt modifikationer av turbinen för att motsvara förändringar av luftflödet, och andra förändringar inkluderar ofta förändringar av munstycksarean och modifikationer av antalet kompressorsteg.

Då förändringar eller modifikationer av det existerande flyg- plansmotorutförandet erfordras kräves design- och tillverk- ningsförändringar som resulterar i ökade kostnader och medför ytterligare krav på överväganden vad gäller tillförlitligheten svarande mot användning av sådana utföranden som icke har direkt kunnat utnyttja den tillförlitlighet och testverksamhet samt de erfarenheter som erhållits i samband med respektive flygplansmotor.

Det är därför önskvärt att ha ett system som undviker nack- delarna hos enaxel- och drivturbinkonstruktioner och samtidigt bibehåller många av deras respektive fördelar. Det är vidare 469 187 önskvärt att åstadkomma ett system som minimerar erfordrade modifikationer av befintlig flygplansmotorteknologi.

Exempel på känd teknik på området står att finna i den ameri- kanska patentskriften 3.374.630 och de brittiska patentskrif- terna 1.533.884 och 1.284.335.

Kortfattad redogörelse för uppfinningen Enligt uppfinningen åstadkommas ett sätt att omvandla en flyg- plansturbofläktmotor till icke-aeronautisk användning, vilken flygplansmotor har en fläkt, en första kompressor nedströms om fläkten, en andra kompressor belägen nedströms om den första kompressorn, en brännare belägen nedströms om den andra komp- ressorn, en första turbin som är belägen nedströms om brännaren och drivförbunden med den andra kompressorn genom en första axel, och en andra turbin belägen nedströms om den första turbinen, vilken andra turbin är drivförbunden med den första kompressorn och fläkten genom en andra axel, kännetecknat av att fläkten avlägsnas från den andra axeln, att ett organ appliceras för att pålägga en last eller belastning på den andra axeln, och att ett organ för att balansera krafterna på den andra axeln för att kompensera för avlägsnandet av fläkten anbringas.

Uppfinningen avser även en kraftanläggning för att driva en last vilken anläggnings väsentliga kännetecken är angivna i krav 8.

Kortfattad redogörelse för ritningarna Fig. 1 är en schematisk figur av en utföringsform av upp- finningen.

Fig. 2A och 2B är schematiska tvärsnitt av en flygplansgas- turbinmotor.

Fig. 3A och 3B är schematiska tvärsnitt av en utföringsform av föreliggande uppfinning. *x 469 187 Fig. 4 är en schematisk figur av en med två ändar försedd kraftanläggning som utnyttjar föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer I fig. 1 visas en kraftanläggning 10 enligt föreliggande uppfinning vilken innefattar en motor eller maskin för icke- aeronautisk tillämpning med en första kompressor 20 för att alstra ett nedströms riktat axiellt flöde och en andra komp- ressor 22 belägen nedströms om den första kompressorn 20. En brännare 24 är belägen nedströms om kompressorn 22 och en första turbin 28 är belägen nedströms om brännaren 24 och är drivförbunden med den andra kompressorn 22 genom en första axel 32, varjämte en andra turbin 36 är belägen nedströms om den första turbinen 28 och den andra turbinen är drivförbunden med den första kompressorn 20 genom en andra axel 40. Kraftanlägg- ningen har ett organ 44 för att pålägga en last på den andra axeln 40. Lasten, som är pålagd den andra axeln 40, är före- trädesvis primärt roterbar i motsats till en nedströms axiell påkänning.

De första och andra kompressorerna 20 resp. 22, brännaren 24, de första och andra turbinerna 28 resp. 36, och de första och andra axlarna 32 resp. 40 är företrädesvis utbildade av en flygplansmotor såsom en CF6-80C2-motor marknadsförd av General Electric Company och visad i fig. 2A och 2B, vilken flygplans- motor 200 har en fläkt 218 som alstrar ett nedströms riktat axiellt flöde, varvid en första kompressor 220 är belägen ned- ströms om fläkten 218, en andra kompressor 222 är belägen ned- ströms om den första kompressorn 220, en brännare 224 är be- lägen nedströms om den andra kompressorn 222, en första turbin 228 är belägen nedströms om brännaren 224 och är drivförbunden med den andra kompressorn 222 genom en första axel 232, en andra turbin 236 är belägen 469 'i 87 nedströms om den forsta turbinen 228 och ar drivforbunden med saval den forsta kompressorn 220 som fläkten 218 via en andra axel 240. Den forsta kompressorn 220 har typiskt en ande till den forsta kompressorn 220 ansluten till den forsta axeln 240 via fläkten 218. turbinen 236 finnes en cylindrisk bakre ram 260 som typiskt har Allmänt galler att nedströms om den andra strävor som reducerar eller eliminerar virvelbildning vid vilka ett gasturbinmunstycke ar typiskt anbragt pà satt som är valkant pà omrädet. Den bakre ramen 260 kröker sig mot motorns axiella Centrum neÖStfÖmS Om den BDÖÉB turblnefl.

I fig. hänvisningssiffror svarar mot liknande element i fig. 3A och 3B visas en modifierad gasturbinmotor där samma 2A och 2B.

Det inses att företrädesvis varje modifikation som utföres pà motorn eller maskinen befinner sig antingen uppströms om den forsta kompressorn 220 eller nedströms om den andra turbinen 236, varvid ástadkommes minimala förändringar pà själva flyg- plansmotorn. Det kan emellertid vara önskvart att utbyta befint- liga blad eller skovlar i den första kompressorn 220 mot alter- nativa blad eller skovlar för att maximera formàgan att ástäd- komma anpassning till förändringar vad galler luftströmnings- egenskaperna. Foreträdesvis modifieras endast blad- eller skovelformen, och kompressorns alla övriga komponenter sàsom bladanbringningen och lásorganen eller den aktuella strömnings~ banan förblir oförändrade. Uppströms om den forsta kompressorn 220 avlägsnas fläkten 218 och en skiva 310 anbringas typiskt fràn den andra axeln 240 till den första kompressorn 220 for att åstadkomma stod för och drivning av den första kompressorn 220.

En utjämnings- eller bälanseringskolv 320 är företrädesvis belägen uppströms om den första kompressorn 220 och är typiskt utformad av ett första element 322 som är anslutet till ett in- loppshölje 340, varjämte det första elementet sträcker sig till den andra axeln 240 med en tätning belägen däremellan.

Det kan vara önskvärt att utbilda det första elementet sä att det bildar ett dubbelt tätnings- och avluftningskavitetsystem, i 459 187 vilket en forsta sidovagg stracker sig fran inloppsholjet 340 till en forsta tatning intill den andra axeln 240, och en andra sidovagg ar belägen pa avstand fran den forsta sidovaggen och sträcker sig fràn inloppsholjet till en andra tatning som ar be- lagen intill den andra axeln 240 för att darvid bilda en mellan- liggande öppning som kan anslutas via ror pa avstand fran lTlOtOrD .

Alternativt kan det forsta elementet 322 utformas genom anvand- ning av en trippeltatning, som bildar tva kaviteter. Den forsta kaviteten ar en ventilationskavitet och den andra kaviteten ar ansluten till en kalla for luft av lag temperatur och lagt tryck. Utjamnings- eller balanseringskolven 320 har aven typiskt ett andra element 324 anslutet till den andra axeln 240 och forloper mot och ar belaget uppstroms om det forsta elementet 322 och sà belaget att det bildar en kavitet 326 mellan det forsta och det andra elementet 322 resp. 324. Luft fràn en av- tappningsventil 330 till den andra kompressorn ar typiskt anslu- ten i kaviteten av ett ror 332, och denna luft utövar en upp- stroms riktad kraft mot den andra axeln 240 for att kompensera for att flakten 218 avlagsnats. En flans 330 ar aven ansluten vid den andra axeln 240 for att tjäna såsom ett organ for att palagga en last pa den andra axeln 240.

Det skall forstás att balanseringskolven 320 eller organet for att pàlagga en last pà axeln även kan vara belägen bakom den andra turbinen 236. For att emellertid undvika de overvaganden som maste goras da högre temperatur rader ar det typiskt onsk- vart att placera dessa komponenter framfor den forsta komp- ressorn 220. En styr- eller ledskovel 370 till ett variabelt in- lopp ar aven belägen fore den forsta kompressorn 220 for att reglera luftflodet darigenom, och uppstroms om styrskoveln 370 finnes ett inloppsholje 340 for luftintaget till kompressorn 220.

Modifikationerna bakom den andra turbinen är även typiskt mini- mala. Foretradesvis ersattes den bakre ramen 260 typiskt av en modifierad bakre ram 360 med en diameter som antingen ökar eller uppvisar approximativt konstant diameter nedströms om turbinen.

Det skall forstàs att flygplansturbofläktmotorn har modifierats under konstruktionsförloppet for att bilda den icke-aeronautiska motorn. Det är därför typiskt konstruktionsförloppet som avlägs- nar flakten och nodvändiggör övriga förändringar av flygplans- motorn, och under monteringen av den icke-aeronautiska motorn sammanfogas motorn i enlighet med den plan som redan upprattats vad gäller de modifikationer som erfordras för konverteringen.

Dä motorn arbetar inkommer luft genom inloppshöljet 340 och passerar genom inloppsstyrskoveln 370 till den första kompres- sorn 220 och strömmar därefter nedströms genom den andra kom- pressorn 222. Luften uppvarmes därefter av brännaren 224 som därvid driver de forsta och andra turbinerna 228 resp. 236.

Turbinerna driver de första och andra axlarna 232 resp. 240. Den första axeln 232 driver den andra kompressorn 222 och den andra axeln 240 driver den forsta kompressorn 220 och den last som ar ansluten till flansen 330. Lasten är typiskt primärt roterbar i motsats till en nedströms axiell belastning. Exempelvis kan lasten utgöras av en generator, en kompressor for industriell tillämpning eller en axel som ar kopplad till en växel sásom for marin framdrivning. Den effekt som typiskt användes för att driva förbiluft i en turboflaktmotor kan därför användas for direkt drift i samband med fläkt eller propeller saknande till- lämpningar. Vidare kan, eftersom turbofläktverkningsgraden okar vid teknologisk utveckling, dessa verkningsgradsförbattringar direkt och enkelt omvandlas till icke-aeronautiska tillämp- ningar, sarskilt da stora forbiflöden användes för att uppna dessa förbättringar. Vidare kan extra effekt även erhållas genom att ersätta den bakre ramen 260 med en modifierad bakre ram 360 med en diameter som antingen ökar eller förblir approximativt konstant nedströms om turbinen. Vid flygplansmotorer kröker den yttre strömningsbaneväggen till den bakre ramen inàt mot motorns centrum för att kompensera för hastighetsminskning som uppkommer till följd av anti-virvlingssträvorna. Vid marina eller indust- riella tillämpningar föreligger emellertid inget behov att kom pensera för eventuell hastighetsreduktion, och vid dessa till- lampningar användes typiskt en diffusor for att minska hastig- heten for att erhålla ett större tryckfall over turbinen for ökad avgiven effekt, och den modifierade bakre ramen 360 till- försakrar denna hastignetsreduktion.

Balanseringskolven 320 kompenserar för de nedströms riktade axiella krafter som uppkommer, da fläkten 218 är avlagsnad frän den andra axeln 240. Balanseringskolven kan aven innefatta àt- gärder for att minska injicering av varm luft i motorns strom- ningsbana till följd av läckage av av balanseringskolven tryck- satt luft frän den inre tätningen. Exempelvis kan i ett med dubbla tätningar försett kavitetssystem for ventilation varm luft som inkommer i kaviteten bringas att avgà pà utsidan om motorns stromningsbana. Alternativt kan i ett trippeltätnings- och ventilationskavitetssystem varm luft bringas att avgà pä utsidan om motorns strömningsbana och kall làgtrycksluft kan inkomma i den andra kaviteten för att ytterligare reducera temperaturen hos luft som inkommer i motorns strömningsbana.

Kraftanläggningen med "oberoende kärna för direkt drivning" enligt föreliggande uppfinning medför ett stort antal fördelar over andra industri- och marinmotorer. Exempelvis ästadkommer föreliggande utförande i jämförelse med enkelaxelsystem med upplagrat vridmoment av storleken noll ett avsevärt vridmoment eftersom den andra kompressorn 222 samt den första turbinen 228 och axeln 232 kommer att rotera oberoende av den andra axeln 240 till vilken lasten är ansluten, varvid vridmoment kan tillföras lasten.

Kraftanläggningen är även till nytta genom att det ofta ar önsk- värt att làta motorn kyla sig sjalv vid mycket lag hastighet, och detta kan enkelt ästadkommas vid föreliggande uppfinning, eftersom en kompressor och turbin kan rotera oberoende av De- lastningen. I enaxelsystem kan detta emellertid erfordra en stor effekt för att driva lasten. 10 I sadana system vid vilka lasten bestàr av en generator ar det vidare sannolikt att föreliggande uppfinning kommer att astad- komma förbättrade egenskaper da atmosfarens temperatur ökar i jämförelse med drivturbinsystem. Vid föreliggande system kan en last i form av en generator anslutas till den första kompressorn via den andra axeln, och generatorn kommer darfor att medföra att den forsta kompressorn tillför ett relativt konstant luft- flöde till motorn vilket torde minska negativ inverkan till följd av ökad atmosfärtemperatur. Dessutom astadkommer fore- liggande uppfinning även visst skydd mot övernastighet dà be- lastningen frikopplas fràn axeln eftersom den andra turbinen 236 aven kommer att vara kopplad till den forsta kompressorn 220 och därvid tjänar till att begransa övernastignet.

Föreliggande system bildar aven ett system som utnyttjar avan- cerad gasturbinkonstruktion och erbjuder ett system, i vilket lasten kan anslutas uppströms om kompressorerna, varvid und- vikes de erfordrade modifikationer vad galler luftstrommens riktning som kan krävas vid ett system vid vilket lasten be- finner sig nedströms. Vidare kan systemet även användas sa att lasten kan vara belägen nedströms om turbinen, vilket kan vara onskvart vid särskilda tillämpningar såsom for drivning av fartyg.

Denna möjlighet att ansluta lasten antingen uppströms om komp- ressorerna eller nedströms om turbinen erbjuder möjlighet att använda gasturbiner i ett anpassat system, t.ex. för användning i det med tva ändar försedda generatorsystemet 410 i vilket, såsom visas i fig. 4, en första kraftanläggning 420 är ansluten till en generator 430 nedströms om turbinerna till den forsta kraftanläggningen 420, och generatorn även är ansluten till en andra kraftanlaggning 440 uppströms om kompressorn till den andra kraftanläggningen. Tidigare placerades identiska kraft- anläggningar pà vardera sidan om generatorn och drivturbinerna var i själva verket anslutna till generatorn. Användning av drivturbiner erfordrar att en av drivturbinerna roterar i mot- satt riktning mot den andra drivturbinen. Denna omkastade rota- 11 tion erfordrar darfor modifikation av formen och verktygen till en av drivturbinerna och de modifierade delarna, vilket darfor medfor okad kostnad. Vid foreliggande system kan emellertid samma motor anvandas, varvid skillnader primart forekommer en- dast vad galler den främre och bakre anslutningen till genera- torn. Foreliggande uppfinning är särskilt fordelaktig genom sin formàga att utnyttja maximalt idag tillgänglig kunskap om flyg- plansmotorkonstruktion med minimala andringar. Genom att minime- ra forandringarna av flygplansmotorn till primart antingen framfor den forsta kompressorn 220 eller efter den andra turbi- nen 236 minimeras förandringar vad galler stromningsvagen och maximal nytta kan dras av vunna erfarenheter vad galler tillfor- litlighet och utprovad teknisk design. Vidare minimerar detta ytterligare konstruktiva modifikationer med de kostnader som med nödvändighet ar förenade med sådana förändringar. Dessutom àstadkommer denna utformning även signifikanta kostnadsminsk- ningar som har samband med att man eliminerar användning av en drlVïUfDln.

Claims (9)

4694187 12 Patentkrav

1. Sätt att omvandla en flygplansturbofläktmotor till icke-aeronautisk användning, vilken flygplansmotor har en fläkt (218), en första kompressor (220) nedströms om fläkten, en andra kompressor (22) belägen nedströms om den första kompres- sorn, en brännare (24) belägen nedströms om den andra kompres- sorn (22), en första turbin (28) som är belägen nedströms om brännaren (24) och drivförbunden med den andra kompressorn (22) genom en första axel (32), och en andra turbin (36) belägen nedströms om den första turbinen (28), vilken andra turbin är drivförbunden med den första kompressorn (20) och fläkten (218) genom en andra axel (40), kännetecknat av att fläkten (218) avlägsnas från den andra axeln (240), att ett organ appliceras för att pålägga en last eller belastning (44) på den andra axeln (40), och att ett organ för att balansera krafterna på den andra axeln för att kompensera för avlägsnandet av fläkten anbringas.

2. Sätt enligt krav 1, varvid steget att applicera ett organ för att pålägga en last på axeln kännetecknas av att anbringa en fläns (330) vid den andra axeln (40) uppströms om den första kompressorn (220).

3. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att steget att anbringa ett organ för att balansera krafterna mot den andra axeln dessutom kännetecknas av att koppla en utjämnings- eller balanseringskolv (320) till den andra axeln (240) för att kompensera för avlägsnandet av fläkten (218).

4. Sätt enligt krav 3, kännetecknat av att utjämnings- eller balanseringskolven (320) placeras uppströms om kompres- sorn (220). 469 187 13

5. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att en variabel statorskovel (370) placeras uppströms om den första kompressorn (220) för att begränsa luftströmningen därigenom.

6. Sätt enligt krav 1, varvid turbofläktmotorn har en bakre ram (260) nedströms om den andra turbinen (260), vilken bakre ram (260) har en diameter som minskar nedströms om den andra turbinen, och vilket sätt dessutom kännetecknas av steget att ersätta den bakre ramen (260) med en modifierad bakre ram (360) med en diameter som ökar nedströms om den andra turbinen (236).

7. Sätt enligt krav 1, vid vilket turbofläktmotorn har en bakre ram (260) nedströms om den andra turbinen (236), vilken bakre ram (260) har en diameter som minskar nedströms om den andra turbinen, kännetecknat av steget att den bakre ramen ersättes med en modifierad bakre ram som har approximativt kon- stant diameter.

8. Kraftanläggning för att driva en last, vilken anlägg- ning omvandlats från en kraftanläggning med en fläkt som alstrar en axiell belastning och inkluderande en första kompressor (20) för att alstra ett ned- ströms riktat axiellt flöde, en andra kompressor (22) som är belägen nedströms om den första kompressorn (20), en brännare (24) belägen nedströms om den andra kompressorn (22), en första turbin (28) belägen nedströms om brännaren (24) och drivförbunden med den andra kompressorn via en första axel (32), en andra turbin (36) som är belägen nedströms om den första turbinen (28), vilken andra turbin är drivförbunden med den första kompressorn (20) via en andra axel (40), och en last eller belastning (44) som är pålagd den andra turbinen, kännetecknad av en balanseringskolv (320) belägen uppströms om den första kompressorn (220) och ansluten till den andra axeln (40) 469 187 14 för att kompensera för avlägsnandet av fläkten, en variabel stator- eller inloppsstyrskovel (370) för att reglera via ett inlopp tillfört luftflöde till den första kompressorn (220), och en modifierad bakre ram (260) nedströms om den andra turbinen (236) vilken kan ha konstant eller ökande diameter.

9. Kraftanläggning enligt krav 8, vid vilken en last (44) är ansluten till den andra axeln (40) vid endera änden av kraftanläggningen. I?