DE1070880B

DE1070880B - Gasturbinenaggregat mit Turboverdichter

Info

Publication number: DE1070880B
Application number: DENDAT1070880D
Authority: DE
Inventors: Kingsway Derby David Oimri Davies (Großbritannien)
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1956-12-19
Publication date: 1959-12-10
Also published as: US3031132A; GB839883A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES ^8WSSV PATENTA

kl F 02 c

AUSLEGESCHRIFT^l 070 88(T

R22298Ia/46f

A N M E L D E T A C: 5. DEZEMBER 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 10. DEZEMBER 1959

' ■ '■ ■ ·■■ . 1. · ; : ■'■ , '

Es sind Gasturbinenaggregate mit Turboverdichter bekannt, bei denen innerhalb der Verdichtungsstrecke an Stellen verschiedenen Druckes mehrere Zapfstellen zur Kühl- und Dichtluftentnahme vorgesehen sind.

Diesen bekannten Einrichtungen gegenüber besteht die Erfindung darin, daß den Zapfstellen Ventile zur wahlweisen Entnahme von Kühl- und Dichtlüft verschiedenen Druckes nachgeschaltet sind. Durch die Möglichkeit der wahlweisen Entnahme von Kühl- und Dichtluft verschiedenen Druckes ergibt sich eine Herabsetzung der Wirkungsgradverluste, welche bei"den. bekannten Aggregaten durch die Entnahme der Luft aus dem Maschinenverdichter entstehen, da dem Verdichter eine Leistung zugeführt werden muß, um die auf diese Weise abgeführte Druckluft zu erzeugen.

Der Erfindungsvorschlag ist von erheblicher Bedeutung für Gasturbinenaggregate von Flugzeugantrieben, bei welchen die Eihtrittsluft des Kompressors infolge der Fluggeschwindigkeit unter Staudruck gesetzt wird. Der Druckanstieg in demLuftansaugstutzen ist von einem Temperaturanstieg begleitet., welcher im Falle von Flugzeugen hoher Geschwindigkeit sehr erheblich sein kann' Zum Beispiel beträgt dieser Temperaturanstieg bei einer Fluggeschwindigkeit von 1600 km pro Stunde 100° C. Zweckmäßig bringt man bei derartigen Turbinen zwei Anzapfstellen mit Ventilen an einem Verdichtersystem an, und zwar eine im Bereicheines verhältnismäßig niederen Druckes, eine zweite in einem Bereiche verhältnismäßig hohen Druckes. Es ergibt sich der Vorteil, daß die für Kühl- und Dichtungszwecke verwendete Luft bei Entnahme aus der ersten Zapfstelle die erforderliche niedrige Temperatur besitzt. Da, wie schon erwähnt, bei Überschallflugzeugen mit einer Geschwindigkeit von 1600 km der Temperaturanstieg im Ansaugstützen der , Maschine in der Größenordnung von 100^c C liegt, hat die an Stellen hohen Druckes entnommene Luft eines ■ Verdichters, dem durch den Ansaugstutzen Luft eingespeist wird, eine für Kühlzwecke viel zu hohe Temperatur.

Bei Verwirklichung des Erfindungsgedankens in Gasturbinenaggregaten von Flugzeugen geringerer Geschwindigkeit wird immerhin der Verbrauch der aus dem Verdichtersystem entnommenen Luft wirtschaftlicher, weil im Flug die Luft aus einer Stelle niederen Druckes des Kompressors entnommen werden kann, um den Kühl- und Dichtungszwecken zugeführt zu werden, während unter Landebedingungen, bei voller Leistungsabgabe und beim Aufsteigen die Luft von einer Stelle hohen Druckes abgeführt wird.

Die Ventile für die Auswahl der Stelle,.von welcher, die Kühl- und Dichtungsluft aus dem Verdichtersystem entnommen wird, können von Hand, aber auch automatisch betätigt werden in Abhängigkeit von einer Gasturbinenaggregat mit Turboverdichter

Anmelder:

Rolls-Royce Limited, Derby (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

- ■ . Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 19. Dezember 1956 und 27. November 1957

David Omri Dävies, Kings way, Derby

(Großbritannien), \ ,

ist als Erfinder genannt worden ; ■ -.

Größej welche mit den Betriebsbedingungen des Aggregates selbst oder mit den Betriebsbedingungen des Flugzeugs in Zusammenhang steht. Es kann z. B:, ausgehend von der Luftentnahme an einer Steile hohen Druckes zu der Luftentnahme an einer Stelle niederen Druckes übergegangen werden, wenn der Druck an der Hochdruckabzapfstelle einen vorbestimmten Wert erreicht. ,

Es sind auch schon Gasturbinenaggregate bekannt, bei denen der Turboverdichter aus einer Hohlwelle und einer auf der Hohlwelle befestigten Laufschaufelkonstruktion besteht und die Zapfstellen aus Durchbrechungen in der Tragkonstruktion der Laufschaufeln bestehen, die mit dem VerdiQhterkanal in Verbindung sind, wobei sich an diese Zapfstellen Leitungen anschließen, welche durch die Tragkonstruktion der Laufschaufeln hindurch nach der Hohlwelle hin verlaufen, wobei diese Leitungen in Durchbrechungen münden, die in den Innenraum der Hohlwelle führen. Bei dieser bekannten Ausführungsform liegen die Steuerventile in an sich ebenfalls bekannter Weise an den Durchbrechungen der Hohlwelle. Zum Beispiel besteht das Steuerventil in an sich bekannter Weise aus einer Ventilhülse, die innerhalb der Hohlwelle des Rotors verschiebbar ist und mit den verschiedenen Durchbrechungen in Wechselwirkung steht, sowie eine Vorrichtung aufweist, welche die Ventilhülse in an sich bekannter Weise derart verschiebt, daß diese die Durchbrechungen der einen oder anderen Anzapfung freigibt. ^;

909 688/126

Bei einer weiteren Ausführungsform mit einem aus einem Verdichtergehäuse und einem Verdichterläufer bestehenden Verdichter ist die Anordnung so getroffen, daß an dem Verdichtergehäuse eine Vielzahl von an sich bekannten Anzapfungen vorgesehen ist, daß Druckluftleitungen von jeder dieser Anzapfung zu einem Mehrwegventil führen und daß dieses Mehrwegventil über eine in an sich bekannter Weise durch das Arbeitsmedium hindurchführende Leitung mit der Zutrittsöffnung der zentralen Stelle verbunden ist.

Die Figuren beschreiben zwei Ausführungsformen des Erfindungsgedankens. Es stellt dar

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen axial durchströmenden Verdichter mit einem Ventilorgan inner-

die Verbindung zu der Kammer 21 und dem Innenraum der Hohlwelle unterbrochen ist; dafür ist aber der in radialer Richtung nach innen gerichtete Flansch ' 25a des Ventilkörpers 25 von dem Schulterring gelöst, 5 so daß die Durchbrechungen 22 nicht mehr verschlossen sind und Luft von der Kammer 20 her in das Innere der Hohlwelle 10 eindringen kann.

Man erkennt, daß die in die Welle 10 einströmende Luft von dieser Welle aus durch Löcher 27 nach einer ίο Kammer 28 in der Nähe des Lagers 17 strömt. Auf diese AVeise wird das Lager gekühlt und gegen den Zustrom von heißer Luft abgedichtet. Von der Kammer 28 geht eine Durchbrechung 28a aus. Durch diese kann Luft um das Lager 17 herum durch den Raum

halb seiner Hauptwelle, welches mit den Zapfstellen 15 zwischen der Welle 10 und der Brennkammer fließen derart in Wechselwirkung steht, daß die Druckluft an und auch hier kühlend wirken. ' ■

einer ersten Stelle des Verdichters entnommen wird, Der Ventilkörper 25 läßt sich in axialer Richtung

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 1 pneumatisch bewegen. Seine Betätigungsvorrichtung mit dem Unterschied, daß das Ventilorgan eine zweite umfaßt einen Kolben 29, welcher von einem Flansch Stellung einnimmt und entsprechend die verdichtete 20 des Ventilkörpers 25 gebildet ist; der Kolben29 ist Luft von einer anderen Stelle des Verdichters entnöm- innerhalb des Zylinders 30 der Welle 10 beweglich. Die men wird, " Welle 10 ist in dem betreffenden Bereich erweitert. '.-

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend derjenigen der Der Kolben 29 wird innerhalb des Zylinders 30

Fig. 1 mit Zapfstellen an der Außenseite des Verdich- durch Preßluft bewegt. Die Preßluft wird zugeführt ters und mit einer quer durch das Strömungsmedium 25 wie folgt: Eine Kammer31 auf der linken Seite des hindurch nach der zentralen Achse führenden Druck- Kolbens29 steht ständig über eine Zapfstelle32 mit luftleitung. einem Ort hohen Drucks im Strömungsmittelkanal des

In den Figuren erkennt man einen in axialer Rieh- Verdichters in Verbindung. Eine Kammer 33 auf der tung durchströmten Turboverdichter; dieser Turbo- rechten Seite des Kolbens 29 läßt sich über ein Mehrverdichter umfaßt eine hohle Hauptwelle 10, welche 30 wegeventil 34 entweder an einen Ort 35 hohen Drucks eine Reihe von Rotorscheiben 11 trägt; am Umfang der Brennkammer anschließen oder mit der Atmoeiner jeden solchen Rotorscheibe ist ein Rotorschaufel-, Sphäre in Verbindung' bringen. Wenn das Ventil 34 ring -12 angebracht. Ferner umfaßt' der Verdichter seine in Fig. 1 erkennbare Stellung einnimmt, so steht einen Stator. Der Stator ist von einem Gehäuse13Vnit die Luft in der Kammer 33 unter einem Druck, weleinem Lufteintritt 14 gebildet und trägt die verschie- 35 eher höher ist als der Druck in der Kammer 31. Der denen Kränze 15 der Statorbeschaufelung. In Löchern Ventilkörper 25 wird also in seine linke Stellung ge-16 und 17 des Statorgehäuses ist die Rotorwelle 10 ge- zwungen. Wenn das Mehrwege\^entil 34 seine aus lagert. Fig. 2 ersichtliche Stellung einnimmt, so befindet sich

An zwei Stellen seiner inneren Begrenzungswand die Luft in der Kammer 33 auf Atmosphärendruck, so ist der Strömungskanal des Verdichters angezapft, so 40 daß der Ventilkörper 25 seine rechte Stellung eindaß die Druckluft durch die Rotorkonstruktion hin-. nimmt.

durch nach der Rotorwelle 10 strömen kann. Diese Das Mehrwegeventil 34 kann von Hand öder autoZapfstellen sind mit 18 und 19 bezeichnet; die Zapf- matisch in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Mastelle 18 befindet sich an einem Ort verhältnismäßig schine oder des Flugzeugs betätigt werden. So läßt niederen Drucks, die Zapfstelle 19 an einem Ort ver- 45 sich z. B. ein druckempfindliches Gerät verwenden, hältnismäßig hohen Drucks. Die Zapfstellen 18 und 19 welches dem innerhalb der Verdichterhauptwelle 10 sind etwa so ausgebildet, wie sie in der britischen Pa- herrschenden Druck ausgesetzt ist und derart wirkt, tentschrift 712 051 beschrieben sind; an den radial daß es bei einem Anstieg des Drucks innerhalb der inneren Enden der an diese Zapfstellen anschließenden Welle 10 über einen bestimmten Wert_; das Ventil 34 Leitungen sind Ringkammern 20 und 21 angebracht. 50 verstellt, und zwar so, daß der Ventilkörper 25 in seine Diese Ringkammern bilden Sammelleitungen, welche '_m Fig. 2 gezeigte Stellung tritt. Es kann auch ein an-

mit dem Innenraum der Verdichterwelle 10 über Durchbrechungen 22 und 23 in Verbindung stehen: diese Durchbrechungen sind Bohrungen in der Wand der Hohlwelle 10.

Innerhalb der Hohlwelle 10 befindet sich ein hohlzylindrischer Ventilkörper.25; dieser ist innerhalb der Welle 10 in axialer Richtung verschiebbar. Wenn der Ventilkörper 25 die in Fig. 1 dargestellte Stellung ein-

deres druckempfindliches Gerät verwendet werden, welches auf das Verhältnis des Drucks in dem Lufteintritt 14 des Verdichters zu dem statischen Druck 55 der Umgebungsluft anspricht; dieses Verhältnis steigt bei zunehmender Fluggeschwindigkeit an; das druckempfindliche Gerät kann also so justiert sein, daß es bei einem bestimmten Wert dieses Verhältnisses den Ventilkörper 25 in dem gewünschten Sinne verstellt,

nimmt, so stehen die Durchbrechungen 23 der Hohl- 60 Schließlich ist auch noch eine Regelung denkbar, bei welle in Deckung mit Durchbrechungen 26 des Ventil- der das Mehrwegeventil 34 durch ein Temperaturkörpers, so daß Kühlluft von der Kammer 21 in das organ gesteuert wird, wenn eine vorbestimmte Luft-Innere der Welle eintreten kann. In dieser Stellung temperatur in der Luftzutrittsöffnung 14 oder eine beliegt ein radial nach innen gerichteter Flansch 25 α des stimmte Temperatur der abgezapften Luft erreicht Ventilkörpers 25 an einem entsprechenden inneren 65 wird.

Schulterring der Welle an, derart, daß die Durch- In Fig. 3 sind entsprechende Teile mit gleichen Be-

brechungen 22 verschlossen sind. zugsziffern bezeichnet wie in den Fig. 1 und 2.

In der in Fig. 2 gezeigten Stellung des Ventilkör- Die Abzapfstellen der für Kühl- und Dichtzwecke

pers25 befinden sich die Durchbrechungen 26 mit den verwendeten Luft befinden sich in axialer Richtung an' Durchbrechungen 23 nicht mehr in Deckung, so daß 70 den gleichen Stellen des Verdichterströmungsmittel-

kanals wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen, nun aber nicht mehr an der Innenwand des Strömungsmittelkanals, sondern an dessen Außenwand; die Zapfstelle 18a entspricht der Zapfstelle 18, die Zapfstelle 19α der Zapfstelle 19 der in Fig. 1 und 2 s beschriebenen Ausführungsform. Die Zapfstelle 18α ₍ umfaßt einen Kranz von Durchbrechungen 37 in dem äußeren Gehäuse des Verdichters; die Durchbrechungen münden an ihrer Außenseite in eine ringförmige > Sammelleitung 38; in entsprechender 'Weise besteht die Zapfstelle 19a aus Durchbrechungen 39, welche in eine Sammelleitung 40 münden: Die Sammelleitungen und 40 sind mit einem Mehrwegeventil 46 über Leitungen 41 bzw. 42 verbunden, während ein Rohr 43 die Luft von dem Ventil 46 nach einer Kammer 28 leitet. Diese Kammer 28 ist .zwischen - zwei auf der Welle 10 schleifenden Luftdichtungskörpern gebildet. Das Rohr 43 ist innerhalb einer hohlen Leitschaufel 44 am Austritt des Verdichters geführt. Die Luft kann durch Durchbrechungen 45 der Welle 10 aus der Kammer28 austreten. Wie in der bereits beschriebenen Ausführungsform gehen von der Kammer 28 Durchbrechungen 28a aus. Für Ventil 46 bestehen natürlich die gleichen Regelmöglichkeiten, wie sie oben für Ventil 34 der Fig. Γ und 2 erläutert sind. . -'

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinenaggregat mit Turboverdichter, bei dem innerhalb der Yerdichtungsstrecke an' Stellen, verschiedenen Druckes mehrere Zapfstellen zur Kühl- und Dichtluftentnahme vorgesehen

; sind, dadurch gekennzeichnet, daß den Zapfstellen Ventile zur wahlweisen Entnahme von Kühl- und Dichtluft verschiedenen Drucks nachgeschaltet sind. ·."■■.·■. _v

.2. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1, bei dem der Turboverdichter aus einer Hohlwelle und einer auf der Hohlwelle befestigten Laufschaufelkonstruktion besteht und die 'Zapfstellen Durchbrechungen in der Tragkonstruktion der Lauf- ;₄₀ schaufeln sind, welche mit dem Yerdichterkanal in Verbindung stehen, wobei sich an diese Zapfstellen Leitungen anschließen, welche durch die

■ Tragkonstruktion der Lauf schaufeln hindurch nach der Hohlwelle hin verlaufen, und wobei diese Leitungen in Durchbrechungen münden, welche in den Innenraum der Hohlwelle führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile in an sich be-. kannter Weise an den Durchbrechungen der Hohlwelle liegen.

3. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil in an sich bekannter Weise aus einer Ventilhülse besteht, welche innerhalb der Hohlwelle des Rotors verschiebbar ist und mit den verschiedenen Durchbrechungen in Wechselwirkung steht, sowie eine Vorrichtung aufweist, welche die Ventilhülse in an sich bekannter Weise derart verschiebt, daß diese die Durchbrechungen der einen oder der^ anderen Anzapfung freigibt.

4. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Betätigung

. der Ventilhülse ein Kolbentriebwerk vorgesehen ist, welches axis einem mit der Ventilhülse zu-" sammengebauten Kolben und einem diesen Kolben enthaltenden Füh'rungszviinder besteht, welcher von der Hohlwelle gebildet ist, ferner dadurch gekennzeichnet, daß Steuerventile für das Kolbentriebwerk vorgesehen sind.

5. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder auf der"* einen Seite des Kolbens als eine erste Kammer ausgebildet ist, welche ständig in Verbindung mit einem ersten Druckraum des Aggregats steht, und daß auf der anderen Seite des Kolbens der Zylinder zu einer zweiten Kammer ausgebildet- ist,

, welche sich mit Hilfe des Kolbentriebwerksteuerventils entweder in Verbindung mit einem zweiten Druckraum bringen läßt, dessen Druck höher ist als derjenige des ersten, oder aber in Verbindung, mit der Atmosphäre.

6. Gasturbineriaggregat nach Anspruch 1 mit einem aus Verdichtergehäuse und Verdichterläufer bestehenden Verdichter, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Verdichtergehäuse eine Vielzahl von an sich bekannten Anzapfungen vorgesehen ist, daß Druckluftleitungen von jeder dieser Abzapfungen zu einem Mehrwegeventil führen und daß dieses Mehrwegeventil über eine in an sich bekannter Weise durch das Arbeitsmedium hindurchführende Leitung mit der Zutrittsöffnung der zentralen Welle verbunden ist.

7. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei an der zentralen Welle anliegenden Luftdichtungen zu beiden Seiten der Zutrittsöffnungen eine Kammer gebildet ist, welche über Druckluftleitungen mit dem Mehrwegeventil in Verbindung steht.

8. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrwegeventil von Hand zu betätigen ist.

9. Gastürbinenaggregat nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerorgane vorgesehen sind, welche auf eine Betriebsgröße des Aggregats oder des Flugkörpers ansprechen und derart ausgebildet und einjustiert sind, daß sie das Mehrwegeventil bei einem vorbestimmten Wert

. der betreffenden Betriebsgröße einstellen.

10. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1 bis 7. und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane druckempfindlich sind und auf den Druck innerhalb der Hohlwelle ansprechen.

11. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane auf das Druckverhältnis zwischen dem Druck am Lufteintritt und dem statischen Druck der Umgebungsluft ansprechen:

12. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane temperaturempfindlich sind und auf die Lufttemperatur im Lufteintritt ansprechen.

13. Gasturbinenaggregat nach Anspruch 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane temperaturempfindlich sind und auf die Lufttemperatur der in der Hohlwelle enthaltenen Luft ansprechen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 948 929; schweizerische Patentschrift Nr. 273 795; französische Patentschrift Nr. 1 119 844; britische Patentschrift Nr. 736 503.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 688/126 12.59