DE2853340A1

DE2853340A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines vorwirbels am verdichtereingang eines turbinen-triebwerkes

Info

Publication number: DE2853340A1
Application number: DE19782853340
Authority: DE
Inventors: Ching-Yee Ma; John James Sanderson; Hans Hermann Schaum; Donald J Tedstone
Original assignee: Pratt and Whitney Aircraft of Canada Ltd
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1977-12-13
Filing date: 1978-12-11
Publication date: 1979-07-05
Also published as: GB2009854A; BR7803397A; CA1093318A; US4222703A; FR2411984A1

Description

Vorrichtung zum Erzeugen eines Vorwirbels am Verdichtereingang eines Turbinen-Triebwerkes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinentriebwerk, speziell auf ein solches mit einem mehrstufigen Verdichter mit Tragstreben in seinem Einlaß.

Es ist bekannt, daß das Verdichtungsverhältnis eines Turbinen-Triebwerkes gegenwärtig sehr hoch gemacht wird und daß Verdichter in solchen Triebwerken so gestaltet sind, daß sie bei normaler Rexsegeschwindigkeit des mit ihnen ausgerüsteten Flugzeugs optimal arbeiten. Als Folge davon können sich Instabilitäten in anderen Betriebszuständen des Triebwerkes einstellen, beispielsweise beim Starten des Flugzeugs oder im Leerlauf.

Ulm solche Probleme zu vermeiden, sind viele Turbinenverdichter mit Einrichtungen versehen, die es ermöglichen, zwischen zwei Turbinenstufen Luft abzulassen. Auf diese Weise läßt sich der stabile Betriebsbereich des Verdichters vergrößern. Diese abgelassene Luft enthält jedoch Energie, die, da die Luft normalerweise ungenutzt ins Freie entlassen wird, verlorengeht. Ein Verdichter der vorgenannten Art mit Luftablaßöffnungen zwischen den Turbinenstufen ist beispielsweise in der US-PS 33 60 189 beschrieben.

Es wurden auch Versuche unternommen, einen Vor-¥irbel in der Luft zu erzeugen, wenn diese im Schwachlastbetrieb in den Verdichter einfließt. Im Rahmen dieser Versuche wurden beispielsweise Tragstreben mit variablem Winkel im Einlaß vorgesehen, die der Luft eine Vor-Wirbelrichtung geben sollen, wenn diese in den Verdichter angesaugt wird. Dieser Winkel soll mit zunehmendem Übergang des Triebwerks in den Normalbetrieb kleiner

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werden. Mechanische Lösungen dieser Art zur Erzeugung von Vor-Wirbeln in der angesaugten Luft bedingen jedoch eine komplizierte Konstruktion und erhöhen das Gewicht des Triebwerks .

In der US-PS 37 51 909 ist ein mit mehreren Wellen ausgerüstetes Strahlturbinen-Triebwerk beschrieben, zu welchem erwähnt ist, daß aus einer Verdichterstufe abgelassene Luft durch eine Turbinenauslaßstrebe strömt und zu einem Statorflügel einer Verdichterstufe rückgeführt wird, die der erstgenannten Verdichterstufe vorangeht. Diese Anordnung ist sehr kompliziert und ist nur bei einem mehrwelligen, mit mehreren Verdichtern ausgerüsteten Turbinentriebwerk anwendbar. Diese Vorrichtung dient auch zum Kühlen der heißen Turbinengasstreben durch das Einsaugen von -Luft zwischen zwei Verdichtern, die durch die Streben hinter der Turbine geleitet wird. Die Vorrichtung nach dem genannten Patent sieht vor, Luft vom Ausgangsbereich des Verdichters abzuziehen, was normalerweise nicht erwünscht ist, weil damit ein unnötiger Verlust an energiereicher Luft verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Vor-¥irbels am Verdichtereingang eines Turbinen-Triebwerks anzugeben, die einfach und leicht im Aufbau ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung wird nicht nur der stabile Betriebsbereich eines Turbinen-Triebwerks wesentlich vergrößert, es geschieht dies auch, ohne daß dadurch ein größerer Energieverlust hingenommen werden muß. Die aus dem Verdichter abgezogene Energie wird nämlich dem Verdichter wieder zugeführt und geht nicht verloren. ·

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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Turbinen-Verdichter im Axialschnitt;

Fig. 2 eine vergrößerte geschnittene Darstellung von Einzelheiten aus Fig. 1;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende, modifizierte Ausführungsform der Einzelheit aus Fig. 1, und

Fig. k eine graphische Darstellung des stabilen Betriebsbereiches eines Verdichters nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt als Ausschnitt eines Turbinen-Triebwerks 10 einen Teil des Verdichters.

Das Turbinen-Triebwerk 10 enthält ein Gehäuse 12, das einen mehrstufigen, einwelligen Verdichter Ik umgibt. Als Teil des Verdichters ist auch ein Zentrifugalgebläse 16 auf derselben, hier nicht dargestellten Welle befestigt. Ein Verteiler 18 ist konzentrisch um den Auslaß des Gebläses 16 angeordnet. Eine ringförmige Kammer 20, die hier als Speicherkammer bezeichnet werden soll, umgibt den Verdichter 14. Ein oder mehr Steuerventile beeinflussen die Luftströmung aus der Speicherkammer in die hohlen Streben 2k der Turbine 10. Eine Mehrzahl sich radial und axial erstreckender Triebwerkstragstreben 2k ist im Einlaßgehäuse 25 angeordnet. Diese Streben 2k sind bei der vorliegenden Erfindung hohl, wie später noch beschrieben werden soll. Der Verdichter Ik weist bei der speziellen Ausführungsform am Eingang als erstes einen Rotor 26 mit mehreren an der Rotorwelle befestigten Schaufeln auf, von denen in Fig. 1 eine dargestellt und mit dem Bez-ugszeichen 26 versehen ist. Die nachfolgenden Rotorstufen sind mit Bezugszeichen 30 und 3k an

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den erkennbaren Rotorblättern versehen« Zwischen den verschiedenen Rotorstufen sind Statorflügel 28 und 32 und hinter der letzten Rotorstufe 3k vor dem Gebläse 16 sind weitere Statorflügel 36 angeordnet.

Hinter den Statorflügeln 36 sind mehrere Auslaßöffnungen 38 i*¹ der Wand des Strömungskanals ausgebildet, die mit der Speicherkammer 20 in Verbindung stehen. Solche Auslaßöffnungen 38 können auch zwischen den anderen Stufen des Verdichters vorhanden sein, vorzugsweise jedoch nicht am Ausgang des Verdichters, d.h. hinter dem Verteiler 18, weil der Luft bis zu jenem Ort eine beachtliche Energiemenge übertragen worden ist.

Jedem Ventil 22 ist ein Ventilsitz 40 zugeordnet. Das Ventil und der Ventilsitz kO sind beispielsweise von der Art, wie sie in der US-PS 33 60 I89 beschrieben ist. Das Ventil beeinflußt bei der dort beschriebenen Vorrichtung diejenige Luftmenge, die aus dem Verdichter abgezweigt wurde und an die Umgebung abgegeben wird. Im vorliegenden Fall steht die Ventilkammer 23 mit einer Vielzahl von Leitungen k2 in Verbindung, die die unter Druck stehende, aus dem Verdichter abgezweigte Luft in die einzelnen hohlen Tragstreben 2k über einen diese verbindenden Spiraldiffusor 60, der die Strömung gleichmäßig verteilt, leiten.

Jede Tragstrebe 2k weist einen Düsenschlitz kk auf, der in geringem Abstand von der nacheilenden Kante ^5 der Strebe seitlich an ihr angeordnet ist, so daß die Luft im "Winkel zu der in den Verdichter ik eingesaugten Luft abgelenkt wird. Es entsteht auf diese Weise Strahlklappe.

Die verschiedenen Ausführungsformen für Strahlklappen kk an der Strebe 2k sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt die einfachste Ausführungsform, die Streben 2k sind hohl mit Wänden k6 und k8, die einen seitwärts mündenden Schlitz kk nahe der Kante am hinteren Ende k5 ausbilden.

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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird beim Gießen eine neuartige Konstruktion ausgebildet. Auch hierbei ist die Strebe Zk hohl. Eine gebogene Ablenkvorrichtung 56 ist in die Öffnung 53 eingesetzt, die am hinteren Ende der Strebe Zk vorhanden ist. Eine den freien Querschnitt einengende Lippe 58 ist zwischen der konkaven Seite der Ablenkvorrichtung 56 und der dieser gegenüberstehenden Wand 5^ der Strebe Zk an letzterer ausgebildet. Die Ablenkvorrichtung 56 bringt eine seitliche Umlenkung der aus der Strebe Zk austretenden Luft, um die Strahlklappe auszubilden. Die Ablenkvorrichtung 56 vermindert jedoch die Turbulenz hinter dem Auslaß des Schlitzes, in-dem sie es der äußeren Luft ermöglicht, über die konvexe Seite der Ablenkvorrichtung 56 zu fließen. Diese Strömung ist beinahe ebenso' schnell wie die der Luft, die aus dem Schlitz kk ausströmt, so daß Verluste durch turbulentes Misohes längs der Kante der Strebe Zk vermieden werden.

Es ist bekannt, daß aufgrund der höheren Verdichtungsverhältnisse moderner Verdichter sich Schwierigkeiten bei der Aufrecht erhaltung eines stabilen Betriebes bei geringen Belastungen ergeben. Es gibt eine Grenze in der Erweiterung des stabilen B_etriebsbereiches durch einfaches Ausleiten von Luft aus dem Verdichter ins Freie. Außerdem geht ungefähr 30 % der dem Verdichter zugeführten Energie durch dieses Ausleiten verdichteter Luft ins Freie verloren. Es wurde im Rahmen von Versuchen gefunden, daß durch die Ausbildung von Strahlklappen am hinteren Ende der Streben Zk, die im wesentlichen einen Wirbel in der in den Kompressor angesaugten Luft in gleicher Richtung wie die Rotation der Rotorblätter 26 hervorruft, derjenige Teil der aus dem Verdichter ausgeleiteten Luft, der Energie in Form von Druck enthält, in die hohlen Streben Zk rückgeleitet werden kann und in der Luft, die aus den Schlitzen kk austritt, noch immer ausreichend Energie vorhanden ist, um die Strahlklappen auszubilden und die Vor-Wirbel hervorzurufen. Versuche haben

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gezeigt, daß, obgleich nur ein Drittel der ursprünglich, aus dem Verdichter ausgeleiteten Luft als Strahlklappe zurückgeführt wird und trotz der unvermeidlichen Druckverluste während der Übertragung dieser Luft aus der Speicherkanimer zu den Schlitzen 44,noch immer genügend Energie zurückbleibt, um den oben erwähnten Effekt hervorzurufen.

Fig. 4 zeigt einen Vergleich zwischen dem stabilen Betriebsbereich eines Turbinen-Triebwerks mit Luftauslaß aus dem Verdichter ins Freie (gestrichelte Linien) mit dem stabilen Betriebsbereich eines Turbinen-Triebwerks nach der vorliegenden Erfindung, bei welchem die aus dem Verdichter ausgelassene Luft rezirkuliert wird, um die erwähnten Vor-¥irbel zu erzeugen (durchgezogene Linien). In der Zeichnung werden folgende Bezugszeichen verwendet:

R und R₁ typische Betriebskurven;

S und S Grenzen des stabilen Verdichter-Betriebsbereiches; N und N₁ konstante Verdichtergeschwindigkeiten.

Der normale stabile Betriebsbereich ist gewöhnlich durch den Bereich zwischen den Kurven R und S bzw. R₁ und S₁ beschrieben. Am kritischsten ist gewöhnlich der Geschwindigkeitsbereich bis zu 75 °/> der maximalen Bezugsgeschwindigkeit. Man sieht, daß der stabile Bereich R₁, S₁ im Falle, daß die ausgelassene Luft rückgeführt wird und Vor-¥irbel bildet, angestiegen ist. Die Verschiebung der typischen Betriebskurve R nach R₁ in Richtung auf niedrigere Strömungsverhältnisse ist ein Hinweis für die Herabsetzung der ins Freie abgegebenen Luft aus dem Verdichter. Das untere linke Ende der in Fig. 4 dargestellten Bereiche zeigt ungefähr die Betriebsverhältnisse bei Leerlauf an. Man sieht aus der graphischen Darstellung, daß die Erzeugung von Vor-Wirbeln in der erfindungsgemäßen Art das Triebwerk bei ungefähr

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10 jo höheren Verdichtergeschwindigkeiten im Leerlauf laufen läßt, was der Zeit zur Beschleunigung des Triebwerks vom Leerlauf zur Maximalleistung sehr zugute kommt.

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Claims

PATENTANWÄLTE D-a MÜNCHEN 22 · WlDENMAYERSTRASSE 4S D-I BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 63 Pratt & Whitney Aircraft berlin: dipl.-ινθ. r. müller-börner of Canada Limited MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-HEINRICH WEY Longueuil, Quebec (Canada) o.pl.-.ng. ekkehard körner 30 392/3 Ansprüche

1./Vorrichtung zum Erzeugen eines Vorwirbels am Verdichtereingang eines Turbinen-Triebwerkes mit einem mehrstufigen Verdichter, einem Verdichtergehäuse und Luftablaßöffnungen im Verdichtergehäuse zwischen zwei Stufen des Verdichters, gekennzeichnet durch eine Speicherkammer (20), in welcher die zwischen den Verdichterstufen (36,16) abgelassene Luft gesammelt wird, einer Steuerventilanordnung (22,ko) zum selektiven Zuleiten dieser Luft zu einer Vielzahl von hohlen Flügeln (2k) im Einlaß des Verdichters (1O), von denen jeder mit der Steuerventilanordnung (22,4o) über ein Leitungssystem (60) verbunden ist und einen Schlitz (44) aufweist, der nahe seiner stromabwärts gelegenen Kante (45) derart angeordnet ist, daß die durch ihn strömende Luft im Winkel zur allgemeinen Richtung der Luftströmung im Verdichter abgegeben wird, um einen Wirbel in der Luftströmung des Verdichters hervorzurufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem einen Spiraldiffusor (60) enthält.

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MÜNCHEN: TELEFON (O89) 225580 BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88

KABEL: PROPINDUS- TELEX O524 24 4 KABEL: PROPlNDUS -TELEX 01 84O57

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3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verdichterstufe ein Rotor mit einer Vielzahl von Flügeln (26) ist, der auf gleicher ¥elle wie eine weitere Stufe (30) angeordnet ist, daß dazwischen Statorflügel (28) angeordnet sind und hinter wenigstens einer der Rotorstufen Luftablaßöffnungen (38) vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Flügel (24) als flache, aerodynamische Tragstreben ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Streben (24) einen tragflügelartigen Abschnitt (46,hS) und einen Strahlklappenschlitz (44) nahe der stromabwärts gelegenen Kante (45) aufweisen, der sich seitlich öffnet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Streben (24) nahe der einen Kante einen Auslaßschlitz (44) aufweisen, in den eine gebogene aerodynamische Ablenkeinrichtung (56) eingesetzt ist, die den größten Teil der aus dem Schlitz (44) strömenden Luft in einen ¥inkel zur Richtung der Verdichterströmung ablenkt, und daß eine Auslaßöffnung (53) auf der konvexen Seite der Ablenkeinrichtung (56) angeordnet ist, um Luft über die Ablenkeinrichtung (56) zu leiten.

7. Verfahren zum Rückgewinnen von Energie aus der aus einer Zwischenstufe eines Verdichters abgezogenen Luft, dadurch gekennzeichnet, daß diese Luft zur Erzeugung von Vorwirbeln in der vom Verdichter angesaugten Luft bei Niedriglastbetrieb in den Verdichter rückgeführt wird, wobei sie in hohle Flügel im Einlaßabschnitt des Verdichters geleitet und unter Druck als Strahlklappe im Winkel zur Strömung der vom Verdichter angesaugten Luft ausgelassen wird, um Vorwirbel in der angesaugten Luft auszubilden.

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