DE2045983A1

DE2045983A1 - Extraction exhaust system for the compressor of a gas turbine engine

Info

Publication number: DE2045983A1
Application number: DE19702045983
Authority: DE
Inventors: Thomas Lee Loveland Ohio Hampton (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-09-30
Filing date: 1970-09-17
Publication date: 1971-04-15
Also published as: BE756363A; US3588268A; GB1319348A; FR2068282A5

Description

Entnahme-Ausstoßsystem für den Kompressor eines Gasturbinentriebwerkes Extraction and discharge system for the compressor of a gas turbine engine

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an Gasturbinentriebwerken und insbesondere eine verbesserte Kompressor-Entnahmevorrichtung für solche Triebwerke.The present invention relates to improvements in gas turbine engines and in particular, an improved compressor extractor for such engines.

Der Kompressor eines Gasturbinentriebwerkes erzeugt Druckluft, um die Energie des heißen Gasstromes, welcher durch die Verbrennung des Brennstoffes in dem unter Druck stehenden Luftstrom erzeugt wird, zu erhöhen. Ein Teil der Energie des Gasstromes wird dazu verwendet, eine Turbine anzutreiben, während der·Rest in Antriebsleistung umgewandelt wird, indem er durch eine Rückstoßdüse ausgestoßen wird. Die Turbine ihrerseits treibt das Laufrad eines Kompressors mit einer Geschwindigkeit, welche im wesentlichen von der Geschwindigkeit der Verbrennung des Brennstoffes abhängt.The compressor of a gas turbine engine generates compressed air to the energy of the hot gas flow, which is produced by the combustion of fuel generated in the pressurized air stream. Part of the energy of the gas flow is used to drive a turbine, while the rest is converted into drive power by passing through a thrust nozzle is ejected. The turbine in turn drives the impeller of a compressor at a speed which essentially depends on the rate of combustion of the fuel.

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— Q _- Q _

Der Kompressor ist in eine aerodynamisch optimale Form sowohl für eine gegebene Kompressordrehzahl als auch hinsichtlich anderer Parameter, wie z.B. der Pluggeschwindigkeit, gebracht, welche für den Punkt des Triebwerkes, an dem die maximale Leistung gewünscht ist, ausgelegt wird. In vielen Fällen, bei denen der Betrieb an einem anderen als dem Auslegungs- oder Bemessungspunkt erfolgt, ist die Luftströmung/Zeit oder der Durchsatz durch einen Teil eines mehrstufigen Axialkompressors größer als er einer nachfolgenden Stufe zumutbar ist, ohne daß sich ein unzulässiger Druckanstieg für eine oder mehrere Stufen des Kompressors ergibt. Ein solcher unzulässiger Druckanstieg oder ein Anwachsen des Rück- oder Staudruckes kann ein "Abwürgen" ™ oder Abreißen des Luftstromes zur Folge haben und dadurch Verluste an Antriebskraft erzeugen. Das beschriebene Problem tritt in erster Linie bei niedrigen Drehzahlen des Kompressorlaufrades auf.The compressor is in an aerodynamically optimal shape for a given compressor speed as well as others Parameters, such as the plug speed, which is designed for the point of the engine at which the maximum power is required. In many cases where the operation takes place at a point other than the design or rated point, is the air flow / time or the throughput by a part of a multi-stage axial compressor larger than it is reasonable for a subsequent stage, without a results in an impermissible pressure increase for one or more stages of the compressor. Such an impermissible pressure increase or an increase in the back pressure or back pressure can result in a "stall" ™ or tearing off of the air flow and thus losses to generate driving force. The problem described occurs primarily at low speeds of the compressor impeller on.

Eine Lösung dieses Problems, welche bereits einige Zeit in Gebrauch ist, besteht darin, Luft zu entnehmen und über Bord aus dem Kompressorgehäuse auszustoßen. Entnahme-Ausstoßsysteme werden unter bestimmten Bedingungen, die außerhalb des Auslegungspunktes liegen, während des Betriebs des Triebwerkes angewandt. Unter anderen Bedingungen und insbesondere beim Betrieb am Auslegungspunkt, muß da3 Entnahmesystem vollständig fe geschlossen sein, weil Leckverluste an Druckluft von dem Kompressor auch in geringen Mengen schwerwiegende Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks haben können.A solution to this problem that has been in use for some time is to take air and expel it overboard from the compressor housing. Extraction and ejection systems are under certain conditions that are outside of the design point are applied during the operation of the engine. Under different conditions and especially during operation At the point of design, the extraction system must be completely closed because of leakage of compressed air from the compressor Even in small quantities, they can have serious effects on the overall efficiency of the engine.

Bekannte Entnahme-Ausstoßsystemejhaben unter verschiedenen Nachteilen gelitten. Einige solcher Systeme waren zu kompliziert, andere waren zu schwer, nicht nur wegen des verwendeten Mechanismus sondern auch wegen der für den Einbau erforderlichen größeren Gesamtlänge des Triebwerks.Bei einigen anderen Systemen war es problematisch Leckverluste an Kompressordruckluft zu verhüten, wenn die Entnahmeströmung abgestellt ist.Known pick-and-place systems suffer from several disadvantages suffered. Some of these systems were too complicated, others were too heavy, and not just because of the mechanism used but also because of the greater overall length of the engine required for installation. In some other systems it was problematic to prevent leakage losses in compressor compressed air when the extraction flow is switched off.

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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Entnahme-Ausstoßsystem für Kompressoren oder Verdichter von Gasturbinentriebwerken zu schaffen und dabei die Nachteile der oben erwähnten bekannten Systeme zu vermeiden oder zu verringern. It is therefore an object of the present invention to provide an improved extraction / discharge system for compressors or compressors To provide gas turbine engines while avoiding or reducing the disadvantages of the known systems mentioned above.

Diese Ziele werden durch die Anordnung von Umfangsdurchlässen für den Ausstoß entnommener Druckluft im Gehäuse eines Gasturbinentriebwerks-Verdichters erreicht. Das Gehäuse weist an seiner Außenseite sich verjüngende Dichtoberflächen an entgegengesetzten Seiten der ^Jmfangsdurchlässe auf. Ein Ring, dessen innere Oberfläche sich entsprechend verjüngt und mit den Dichtflächen in Eingriff steht, schaltet die Entnahme bzw. den Ausstoß von Druckluft in der Schließstellung des Ringes ab. Es ist eine Vorrrichtung vorgesehen, die den Ring axial von den Durchlässen hinwegbewegt, um dem Kompressor Druckluft zu entnehmen. These goals are achieved by the provision of circumferential passages for the discharge of extracted compressed air in the housing of a gas turbine engine compressor achieved. The housing has tapered sealing surfaces on opposite sides on its outside Sides of the circumferential passages. A ring whose inner surface tapers accordingly and with the sealing surfaces is engaged, switches off the removal or the ejection of compressed air in the closed position of the ring. It a device is provided which moves the ring axially away from the passages to draw compressed air from the compressor.

Weitere Merkmale' der Erfindung bestehen in der Bildung einer stromaufwärts gelegenen Eingangskante der Durchlässe mit einer sanften Krümmung. Der Ring ist leicht ausgebildet und im wesentlichen von U-förmigem Querschnitt. Die Schenkel dieses U-förmigen Querschnittes sind im allgemeinen mit den Dichtflächen des Gehäuses in der Schließstellung des Ringes ausgerichtet. Hierdurch können hohe Dichtdrücke durch die Keilwirkung der sich verjüngenden konischen Oberflächen ausgeübt werden. Führungsmittel sind außerdem vorgesehen, um eine gleichmäßige Rundung des leichten Dihtringes sicherzustellen.Further features of the invention are the formation of an upstream entrance edge of the passages with a gentle curvature. The ring is light and substantial of U-shaped cross-section. The legs of this U-shaped cross-section are generally with the sealing surfaces of the housing aligned in the closed position of the ring. This allows high sealing pressures due to the wedge effect of the tapered conical surfaces are exerted. Guide means are also provided to ensure a smooth Ensure roundness of the light weight loss ring.

Diese und andere Merkmale der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieleszu entnehmen, welches rein schematisch in den Zeichnungen dargestellt ist.These and other features of the invention can be found in the following description using an exemplary embodiment, which is shown purely schematically in the drawings.

Pig. I zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Gasturbinentriebwerks, in die die Erfindung eingebaut ist,Pig. I shows a simplified representation of a gas turbine engine, in which the invention is incorporated,

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Pig. 2 zeigt einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Entnahmesystems undPig. 2 shows a longitudinal section of the extraction system according to the invention and

Fig. 3 zeigt eine Ansicht des gleichen Entnahmesystems von außerhalb des Triebwerksgehäuses betrachtet.Fig. 3 shows a view of the same extraction system viewed from outside the engine housing.

Das Triebwerk gemäß Fig. 1 enthält ein äußeres Gehäuse 10, welches aus verschiedenen Abschnitten zusammengesetzt sein kann. Luft tritt in den Einlaß an einem Ende des Gehäuses 10 ein und wird durch einen mehrstufigen Axialkompressor 12 unter Druck gesetzt. Die Druckluft trägt die Verbrennung von Brennstoff in einer Brennkammer I¹J, um einen heißen Gasstrom zu er-" zeugen. Ein Teil der Energie des heißen Gasstromes wird benutzt, um eine Turbine 16 anzutreiben. Der Turbinenläufer 18 ist durch eine Welle 20 mit dem Kompreseorlaufrad 22 verbunden. Die restliche Energie der heißen Gasströmung kann in eine Antriebskraft umgewandelt werden, indem der Gasstrahl aus einer Düse 2k ausgestoßen wird.The engine according to FIG. 1 contains an outer housing 10 which can be composed of different sections. Air enters the inlet at one end of the housing 10 and is pressurized by a multi-stage axial compressor 12. The compressed air carries the combustion of fuel in a combustion chamber I ¹ J to generate a hot gas flow. Part of the energy of the hot gas flow is used to drive a turbine 16. The turbine runner 18 is connected by a shaft 20 to the Compressor impeller 22. The remaining energy of the hot gas flow can be converted into a driving force by ejecting the gas jet from a nozzle 2k .

Vorstehend wurde ein typisches Gasturbinentriebwerk beschrieben, um die Umgebung des vorliegenden Entnahmesystems zu beschreiben, welches jedoch auf eine große Anzahl von Triebwerksarten anwendbar ist, wie der nachstehenden detaillierten Beschreibung dieses Systems zu entnehmen ist.A typical gas turbine engine has been described above to describe the environment of the present extraction system, which, however, is applicable to a large number of types of engines, such as the detailed description below can be found in this system.

Wie vorher erwähnt, besteht die Wirkung eines Entnahme-Ausstoßsystems darin, den Druck an einem bestimmten Punkt oder Ort innerhalb der Gesamtlänge eines Kompressors zu reduzieren, um ein Abwürgen oder einen Stillstand während des Betriebs des Kompressors bei Bedingungen, die außerhalb des Auslegungspunktes liegen, zu verhüten. Das vorliegende System, dargestellt bei 25, entnimmt dem Kompressor Luft zwischen seiner vierten und fünften Stufe, wie aus Fig. 1 ersichtlich.As previously mentioned, there is a take-out-ejection system in effect in order to reduce the pressure at a certain point or location within the overall length of a compressor a stall or standstill during operation of the compressor under conditions outside of the design point lie, to prevent. The present system, shown at 25, takes air from the compressor between its fourth and fifth Stage, as can be seen from FIG.

Die Fig. 2 und 3 zeigen das System mehr im einzelnen. Das Triebwerksgehäuse enthält einen Kompressor-Gehäuseabschnitt 26, wel-Figures 2 and 3 show the system in greater detail. The engine casing contains a compressor housing section 26, which

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eher durch halbzylindrische Hüllen gebildet ist, die entlang einer Längs-Teilungslinie, nicht dargestellt, verbunden sind. Die Leitschaufeln 28 sind in Reihe auf den Umfang des Gehäuse- · abschnitte 26 befestigt und erstrecken sich von diesem einwärts. Laufschaufeln 30 erstrecken sich von dem Laufrad 22 zwischen die Reihen der Leitschaufeln 28.rather is formed by semi-cylindrical shells running along a longitudinal dividing line, not shown, are connected. The guide vanes 28 are fastened in series on the circumference of the housing section 26 and extend inwardly therefrom. Blades 30 extend from impeller 22 between the rows of vanes 28.

Umfangsdurchlasse 32 sind in dem Gehäuseabschnitt 26 vorgesehen, unmittelbar stromabwärts von der vierten Stufe der Leitschaufeln 28. Der Eingang zu diesen Durchlässen ist an seinem, von den Leitschaufeln stromaufwärts gelegenen Ende leicht gekrümmt, um Wirbel- oder Turbulenzverluste zu verringern, wenn Luft dem Kompressor entnommen wird. Der stromabwärts gelegene Eingang der Durchlässe ist vorzugsweise mit einer relativ
scharfen Kante versehen, wie aus Fig. 2 zu entnehmen. Rippen 34 erstrecken sich zwischen den Umfangsdurchlässen, um dem Gehäuseabschnitt 26 die konstruktive Einheit zu geben. Die Breite dieser Rippen wird durch örtliche Erhöhung der Dicke des Gehäuses im Bereich der Umfangsdurchlässe 32 verringert. Die beschriebenen Umfangsdurchlässe ergeben die Möglichkeit, eine
maximale Menge Luft von dem Kompressor abzuziehen oder zu entnehmen, über eine minimale axiale Länge und mit einer minimalen Drosselung der ausgestoßenen Strömung.Circumferential passages 32 are provided in housing section 26 immediately downstream of the fourth stage of the guide vanes 28. The entrance to these passages is slightly curved at its end upstream of the guide vanes to reduce eddy or turbulence losses when air is withdrawn from the compressor will. The downstream entrance of the passages is preferably with a relative
provided with a sharp edge, as can be seen from FIG. Ribs 34 extend between the circumferential passages to give the housing section 26 structural integrity. The width of these ribs is reduced by locally increasing the thickness of the housing in the area of the circumferential passages 32. The circumferential passages described give the possibility of a
to withdraw or withdraw the maximum amount of air from the compressor over a minimum axial length and with a minimum restriction of the expelled flow.

Ein Dichtring 36 ist durch Segmente gebildet, welche durch
Bolzen 38 verbunden sind. Der Ring ist axial beweglich durch drei Betätigungsglieder 40, welche rund um das Gehäuse mit
gleichem Winkelabstand angeordnet sind (zwei Betätigungsglieder sind in Fig. 1 zu sehen). Die Betätigungsglieder sind auf einem Flansch 42 befestigt, welcher radial von dem Gehäuseabschnitt 26 vorsteht. Die Stößel 44 dieser Betätigungsglieder sind durch den Ring 36 mittels der Stifte 46 verbunden. A sealing ring 36 is formed by segments which through
Bolts 38 are connected. The ring is axially movable by means of three actuators 40 which are arranged around the housing
are arranged at the same angular distance (two actuators can be seen in Fig. 1). The actuating members are fastened on a flange 42 which protrudes radially from the housing section 26. The tappets 44 of these actuators are connected by the ring 36 by means of the pins 46 .

Der Ring ist im Querschnitt vorzugsweise U-förmig gestaltet, wie aus Fig. 2 ersichtlich, um das Gewicht zu verringern. Mit einer solchen Leichtbaukonstruktion ergibt sich eine TendenzThe ring is preferably U-shaped in cross-section, as can be seen from Fig. 2, in order to reduce the weight. With such a lightweight construction, there is a tendency

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für den Ring,von der exakten zylindrischen Form abzuweichen. Um eine geeignete Zylinderform aufrecht zu erhalten, sind eine Anzahl von Flossen 48 vorgesehen, welche von den unteren Teilen der rückwärtigen Schenkel des U-förmigen Ringes vorstehen und auf Längsrippen 50 aufsitzen, welche an der äußeren Oberfläche der Gehäuseabschnitte angeformt sind. Die Flossen 48 und die Rippen 50 sind an und zwischen den Betätigungsgliedern mit ziemlich dichten Intervallen vorgesehen.for the ring to deviate from the exact cylindrical shape. In order to maintain a suitable cylindrical shape, a number of fins 48 are provided, which are separated from the lower Parts of the rear legs of the U-shaped ring protrude and sit on longitudinal ribs 50, which on the outer Surface of the housing sections are formed. The fins 48 and ribs 50 are on and between the actuators provided at fairly close intervals.

Die innere Oberfläche des Ringes ist konisch ausgebildet, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Ebenso ist die äußere Oberfläche des ^ Gehäuses auf entgegengesetzten Seiten der Umfangsdurchlässe ™ mit einem korrespondierenden Konus versehen. Dadurch werden ununterbrochene Dichtflächen gebildet, an denen der Ring 36 in seiner geschlossenen Stellung angreift, wie strichliert in Fig. 2 dargestellt. Die konischen Oberflächen ergeben eine Keilwirkung, welche eine positive Dichtung,ungeachtet irgendeiner Tendenz des Ringes oder des Gehäuses von der exakten zylindrischen Form abzuweichen, sicherstellen. Des weiteren liegen die Schenkel des U-förmigen Ringes im allgemeinen über den mit axialem Abstand voneinander angeordneten Dichtflächen, so daß erhebliche Keilkräfte von einer leichten Konstruktion aufgenommen werden können.The inner surface of the ring is conical, as can be seen from FIG. Likewise is the outer surface of the ^ Housing on opposite sides of the peripheral passages ™ provided with a corresponding cone. This will be continuous sealing surfaces formed on which the ring 36 engages in its closed position, as shown in dashed lines shown in FIG. The conical surfaces give a wedge effect which a positive seal, regardless of any Ensure the tendency of the ring or the housing to deviate from the exact cylindrical shape. Further the legs of the U-shaped ring are generally above the axially spaced sealing surfaces, so that considerable wedge forces from a lightweight construction can be included.

) Die Arbeitsweise des vorliegenden Entnahmesystems ist aus Vorstehendem ersichtlich. Der Ring 36 wird zwischen seiner offenen und geschlossenen Stellung durch die Betätigungsglieder 40 verschoben, welche durch irgendwelche geeigneten Mittel, die dem Fachmann bekannt sind, gesteuert werden können. Die geringe axiale Länge der Umfangsdurchlässe gestattet ein schnelles Ansprechen sewohl beim Offnen als auch beim Schließen, d. h. beim Durchlassen oder Abstellen der Entnähmeströmung. Die Bewegung des Ringes in eine Mittelstellung erlaubt einen Teil-Entnahme st rom? welcher, falle erforderlich, genau eingestellt werden kann.) The mode of operation of the present extraction system is based on the above evident. The ring 36 is actuated between its open and closed positions by the actuators 40 which can be controlled by any suitable means known to those skilled in the art. the The short axial length of the circumferential passages allows a quick response, both when opening and when closing, i.e. when opening. H. when letting through or turning off the withdrawal flow. the Moving the ring to a central position allows partial removal current? which, if necessary, can be set exactly.

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Obwohl die vorliegende Erfindung als Entnahme-Ausstoßsystem zwischen den Stufen eines mehrstufigen Kompressors beschrieben wurde, ist sie ebenso für eine Entnahme an anderen Stellen in Axialkompressoren mit einfachem oder auch mehrfachem Gehäuse anwendbar. Der Ort der Entnahme kann eine aerodynamische Punktion einer gegebenen Kompressorauslegung sein. Weitere Abwandlungen können selbstverständlich vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Although the present invention has been described as an intermediate stage discharge system of a multistage compressor it is also suitable for extraction at other points in axial compressors with single or multiple Housing applicable. The extraction location can be an aerodynamic puncture of a given compressor design. Further modifications can of course be made without departing from the scope of the invention.

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Claims

Expectations

V 1., gas turbine engine with an axial compressor and an extraction-discharge system, gekennzei chnet by a housing (26) which forms the outer boundary of the air flow path through the compressor, at least one circumferential extraction passage (32) in the Korn- <compressor, wherein the housing (26) has tapered sealing surfaces on its outside which are located on opposite sides of the passages, a ring (36) which surrounds the housing (26) and has an inner surface which is formed on a tapered part , the taper of which corresponds to that of the sealing surfaces and comes into engagement with these in the closed position of the ring (36), in which no extraction flow flows, and an actuating device (40) through which the ring (36) axially between a closed and an open Position is displaceable in which the ring (36) is no longer aligned with the passages (32) and wherein the actuating device ( ¹ IO) the Presses the ring (36) into its closed position by means of a pressure exerted on the sealing surfaces of the housing (26) and the ring (36), reinforced by the inclination of the sealing surfaces.

W 2. Gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the upstream inlet edge of the circumferential passages (32) is gently curved in order to reduce flow losses when air is extracted through the passages.

3 · Gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the ring (36) of U-shaped cross-section and the legs of the same essentially cover it, i.e. also the sealing surfaces on the housing (26) when the ring (36) is in its closed position.

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4. Gas turbine engine according to claim 3, characterized by longitudinal ribs (3 ² O »which extend over the Urafangsdurchlasse (32) and distribute forces occurring on the structure between the parts of the housing (26) on the opposite sides of the passages.

5 · Gas turbine engine according to claim 3 »thereby characterized in that the ring (36) over the circumference spaced projections (48) which extend from the ring and the housing (26) and longitudinally spaced ribs (50) on which the projections (48) sit and the ring (36) is essentially cylindrical Hold shape.

6. Gas turbine engine according to claim 5 »characterized in that the device for the axial displacement of the ring includes a number of actuators (40) which on the outside of the Housing (26) are attached and whose plungers (44) are connected to the ring (36) and wherein the actuating members (40) have a smaller number than the ribs (50) and the projections or fins (48).

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