DE3327639A1 - Temperaturfuehler fuer turbomaschinen-luftstroemung - Google Patents

Description

Temperaturfühler für Turbomas-chinen-Luftströmung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen-Triebwerke und insbesondere auf die Messung von der Verdichter-" einlaßtemperaturen in derartigen Triebwerken.

Ein ständiges Problem beim Erfassen der Verdichtereinlaßtemperaturen besteht darin, daß beim Eintritt von Wasser in <£as Triebwerk, beispielweise während eines Regensturms, der Fühler naß wird und die abgetastete Temperatur sich der Temperatöir des nassen Kolbens nähert, die niedriger als die tatsächliche Temperatur ist. Wenn das Wasser und die Luft durch verschiedene umlaufende Turbinenstufen in einer im wesentlichen ringförmigen Strömungsbahn hindurchströmt, wird das Wasser durch Zentrifugalkraft zum Außenumfang der ringförmigen Luftströmung geschleudert. Aufgrund dieser Änderung der Wasserkonzentration über der Luftströmung und dem zugehörigen Wärmeübergang zwischen dem Wasser und der Luft wird eine radiale raturverzerrung von der Außenseite zur Innenseite der förmigen Luftströmung hervorgerufen, wobei kältere Temperaturen an dem äußeren Durchmesser herrschen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Temperatur einer in einem Gasturbinentriebwerk strömenden Luftströmung an einer verbesserter Stelle für einen Betrieb bei trokkenen und naßen Bedingungen zu schaffen. Der Temperatursensor soll an einer optimalen Stelle innerhalb der Luftströmung angeordnet werden, die die Wirkung der Feuchtigkeit auf die Messung der Verdichtereinlaßtemperaturen vermindert. Es soll auch die Strömungsabrißgrenze in einem Gasturbinentriebwerk während eines Wassereintritts verbessert werden. Ferner soll die Nachführung von verstellbaren Statorschaufeln in einem

Gasturbinenverdichter verbessert werden. Weiterhin soll ein Temperaturfühler geschaffen werden, der den Fehler bei der Messung der Verdichtereinlaßtemperatur aufgrund von Temperaturverzerrungen in einer ringförmigen Luftströmung vermindert.

Erfindungsgemäß wird ein Temperaturfühlerelement innerhalb einer ringförmigen Stfömungsbahn mit einem äußeren Durchmesser und einem inneren Durchmesser von einer durch die Turbomaschine strömeftden Luftströmung an einer Stelle innerhalb der ringförmigen Strömungsbahn angebracht, die größer als 50 % des ra- -i dialen Abstandes von dem äußeren Durchmesser zum inneren Durchmesser ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführuftgsbeispielen näher erläutert.

, Figur 1 ist eine axiale Teilschnittansicht von einer Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 ist eine isometrische Ansicht von einem tief eintauchenden Temperaturfühler gemäß Figur 1.

Figur 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3 - 3 in Figur 2.

Figur 4 ist eine graphische Darstellung der Temperaturänderungen in einer Turbinenluftströmung bei unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt und verschiedenen Luftströmungseindringtiefen.

Figur 5 ist ein Blockdiagramm und zeigt schematisch den Betrieb einer Gasturbine mit verstellbaren Verdichterschaufeln,

In Figur 1 ist eine Teilschnittansicht von einem Gasturbinentriebwerk 10 gezeigt, das einen axialen, zylindrischen Rotor

aufweist, der in der Mitte eines Lufteinlaßkanales 13 angeordnet ist, der von einem Mantel 14 umgehen ist. Ein Triebwerksbläser 13 ist innerhalb des Einlaßkanals 13 angeordnet, um die Luftströmung zu beschleunigen.

Axial hinter dem Triebwerksbläser 15 ist ein Boosterabschnitt 17 des Bläserrotors angeordnet, der mehrere Stufen aufweist, wobei jede Stufe einen umlaufenden Rotorabschnitt mit zahlreichen Schaufeln und einen nicht umlaufenden Statorabschnitt mit zahlreichen Schaufeln aufweist. Der Boosterabschnitt 17 sorgt für eine Vorverdichtung der von dem Bläser 15 gepumpten Luft auf ein Druckbehältnis von etwa 2:1 oder von 1 Bar auf etwa 2 Bar (14,7 auf etwa 29 psi) auf Meereshöhe. Eine Statorschaufel 16 ist in dem Boosterabschnitt 17 am Eingang 18 einer ringförmigen Strömungsbahn 40 für eine Luftströmung angeordnet, die durch die Turbine 10 strömt. Die ringförmge Strömungsbahn 40 ist durch den Rotorkörper 40 als eine innere Grenze oder Durchmesser und durch eine Oberfläche 21 eines Luftteilers bzw. Splitters 27 als eine äußere Grenze oder Durchmesser begrenzt. Der Teiler 27 leitet einen Teil der eintretenden Luft durch einen Bypasskanal 42 ab. Die Strömungseindringtiefe wird im folgenden als die radiale Eindringung in die ringförmige Luftströmungsbahn 40 von dem äußeren Durchmesser in Richtung auf den inneren Durchmesser bezeichnet. In Figur 1 stellt ein Pfeil 60 eine Eindringtiefe von 100 % dar, da der Pfeil sich über die gesamte Strecke von dem äußeren Durchmesser zum inneren Durchmesser erstreckt.

Axial beabstandet von und hinter dem Boosterabschnitt 17 der Gasturbine 10 befindet sich ein vielstufiger Hochdruckverdichter 29. Der Hochdruckverdichter 29 enthält mehrere umlaufende Rotoren mit vielen Schaufeln und nicht umlaufende Statoren mit vielen verstellbaren Schaufeln. Die Statorschaufeln, wie beispielsweise die Schaufeln 22 und 23, sind an Betätigungsarmen 24 befestigt, die mit Stellringen 28 verbunden sind, damit der Angriffswinkel der Statorschaufeln gemäß bestimmten Turbinen-

triebwerksparametern verändert werden kann. Die Verwendung verstellbarer Statorschaufeln ist bekannt und beispielsweise in der US-PS 2 931 168 beschrieben. Die Luft wird axial durch den Hochdruckverdichter 29 gepumpt, der den Druck und die Temperatur der Luft für eine Verwendung in einem Brennerabschnitt (nicht gezeigt) des Turbinentriebwerks 10 erhöht.

In der ringförmigen Strömungsbahn 40 ist außerhalb des Boosterabschnitt 17 und vor dem Hochdruckverdichter 29 ein Temperaturfühler 20 angeordnet, um die Verdichtereinlaßtemperatur zu bestimmen. Der Fühler 20, der in Figur 2 perspektivisch gezeigt ist, weist eine Strebe 32 auf, von der das eine Ende an einem Flansch, 36 befestigt ist. Das entgegengesetzte Ende der Strebe 32 ist an einem Gehäuse 26 befestigt, in dem eine mit Helium gefüllte Spule 38 (s. auch Figur 3) angeordnet ist. Der Flansch 3:6 ist--an der Innenfläche 21 des Teilerkörpers 27 befestigt. Öle Länge, der Strebe ist so gewählt, daß das Gehäuse 26, das die Teinperaturfühl er spule 38 enthält, innerhalb der ringförmigen Strömungsbahn 40 an einer Eindringtiefe angeordnet ist, die größer als 50 % der gesamten Eindringtiefe 60 ist, wie es im folgenden noch näher erläutert wird.

Figur 3 zeigt das Gehäuse 26 mit einem konisch geformten Regensahutz 35 mit einer Öffnung .4 3, wodurch Luft über die Spule 38 strömen und durch eine Öffnung 44 austreten kann. Der Regen-.schutz 35 gestattet, daß die Luft frei über die Oberflächen der Spule 35 strömen kann, wobei sich Wirbelströme in dem Gehäuse 26 bilden, während Regentropfen blockiert bzw. abgehalten werden, die während des Ansaugens von Wasser vorhanden sind. Die Fühlerspule 38 ist mit unter Druck stehendem Heliumgas gefüllt und reagiert auf Temperaturänderungen, so daß, wenn die Temperatur ansteigt, der Gasdruck ansteigt, und wenn die Temperatur absinkt, auch der Gasdruck fällt. Die Druckänderungen des Gases innerhalb der Spule 30 werden durch ein Verbindungsstück 37 an einen geeigneten Steuermechanismus weitergeleitet. Der Regenschutz unterstützt das Abfühlen

der tatsächlichen Temperatur der Luftströmung, indem der Feuchtigkeitskontakt auf der Spule 38 auf ein Minimum gesenkt wird/ wodurch verhindert wird, daß sich die abgetastete Temperatur der Temperatur des nassen Kolbens nähert, die kleiner als die tatsächliche Lufttemperatur ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Strömungsbahn-Eindringtiefe der Fühlerspule 38 etwa 11,5 cm (4,5 Zoll) von der Innenfläche 21.Da in diesem Ausführungsbeispiel die ringförmige Strömungsbahn 40 eine gesamte Eindringtiefe von etwa 20 cm (8 Zoll) (100 % Eindringtiefe) hat, stellt die Lage der Fühlerspule 38 etwa 55 % Eindringtiefe in die ringförmige Bahn 40 von der Innenfläche 21 dar. Die Eindringtiefe von 55 % der Spule 38 stellt eine Stelle dar, wo die Luft während des Einsaugens von Wasser wärmer ist als in der Nähe der Innenfläche 21 des Teilerkörpers 27 (0 % Eindringtiefe) wo Wasser durch die umlaufenden Stufen des Bläsers 15 und des Boosterabschnitts 17 durch Zentrifugalkraft nach außen geschleudert wird.

Figur 4 zeigt verschiedene Kurven, die die Strömungsbahn-Eindringtiefe (in 'cm bzw. Zoll) über der Temperatur (in C bzw. F) am Einlaß des Hochdruckverdichters aufzeigen. Jede Kurve stellt einen unterschiedlichen prozentualen Feuchtigkeitsgehalt in der Luftströmung dar. Für die Kurve von 0 % Feuchtigkeit ist gezeigt, daß die Eindringtiefe von 55 % (durch A angegeben) eine Temperaturanzeige zur Folge hat, die im wesentlichen gleich der Temperaturanzeige ist, die beim Stand der Technik für eine Eindringtiefe von 12,5 % (durch B angegeben) erhalten wird. Für andere prozentuale Feuchtigkeiten in der Luftströmung wird jedoch klar, daß die Eindringtiefe von 55 % wärmere Temperaturmessungen zur Folge hat, als diejenigen Messungen, die beim Stand der Technik für die Eindringtiefe von 12,5 % erhalten werden. Diese höheren Temperaturen nähern sich besser den tatsächlichen Einlaßtempera-

die
türen an, als dies/kälteren Temperaturen tun, die bisher für die bekannte Eindringtiefe gemessen wurden, und zwar liegt

das an dem radialen Temperaturgradienten, der durch die zentrifugal weggeschleuderten Wassertröpfchen erzeugt wird.

Somit wird deutlich, daß, selbst wenn eine wärmere Temperaturabtastung gewünscht wird, es lediglich notwendig ist, die Eindringtiefe der Fühlerspule 38 zu vergrößern, d. h. die Spule 38 näher an dem Rotorkörper 12 anzuordnen. Dies würde einfach erfordern, daß die Strebe 32 des Temperaturfühlers 20 verlängert wird für eine noch tiefere Eindringung der Spule 38 in die Strömungsbahn 40. Wie in der Kurvenschar gezeigt ist, beginnt die Luftströmungstemperatur bei Eindringtiefen größer als 50 % merklich anzusteigen. Diese Steigerung wird sogar noch deutlicher, wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Luftströmung steigt. Infolgedessen gestattet die Anordnung der Fühlerspule 38 an einer Eindringtiefe, die 50 % der verfügbaren * gesamten Eindringtiefe überschreitet, die Meßung der wärmeren Temperaturen, die tatsächlich in der Luftströmung vorhanden sind. Vorteilhafterweise wird die Fühlerspule an einer Eindringtiefe in den Bereich von 55 % bis 85 % der gesamten Eindringtiefe der Strömungsbahn angeordnet.

Figur 5 stellt in Blockform dar, daß das Ausgangssignal aus dem Fühler 20, das eine Funktion der Verdichtereinlaßtemperatur ist, in eine Steuerung 50 für verstellbare Statorschaufeln geleitet wird. Die Steuerung 50 erzeugt ein Ausgangssignal, das zum Einstellen der verstellbaren Statorschaufeln verwendet wird, beispielsweise für die Schaufeln 22 und 23 in Figur 1 durch die Stellringe 28 und die Betätigungsarme 24 gemäß der Verdichtereinlaßtemperatur, wie es in der US-PS 2 931 168 näher beschrieben ist.

Durch das genaue Fühlen der Temperatur in dem Luftstrom in der Strömungsbahn 40 während heftiger Regengüsse durch Verwendung des Abfühlens bei einer tiefen Eintauchung und Verwendung eines Regenschutzes 35 werden die verstellbaren Statorschaufeln des Verdichters 29 um mehrere Grade weiter geschlossen. Infolgedessen ist der Angriffswinkel der verstellbaren Sta-

torschaufeln so orientiert, daß der Hochdruckverdichter 29 die Luft in effizienter Weise und mit verminderter Turbulenz axial durch die Turbine 10 pumpt. Infolgedessen wird die Strömungsabrißgrenze des Verdichters 29 erhöht.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist zwar der Temperaturfühler vor dem Hochdruckverdichter angeordnet/ aber es können auch Temperaturen an anderen Stellen in dem Gasturbinentriebwerk gemessen werden, wo umlaufende Schaufeln radiale Temperaturverzerrungen hervorrufen. Beispielsweise kann der Fühler zwischen dem Bläser und dem Boosterabschnitt des Gasturbinentriebwerks angeordnet sein oder vor der Hochdruckturbine, vor der Niederdruckturbine oder selbst an irgendeiner Zwischenstufenstellung.

Claims (1)

1. Vorrichtung zum Abfühlen der Temperatur in einer Luftströmung mit einer im wesentlichen ringförmigen Strömungsbahn durch eine Turbomaschine, wobei die ringförmige Luftströmungsbahn einen inneren und einen äußeren Durchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20) zum Abfühlen der Lufttemperatur an eifter Stelle zwischen den inneren und äußeren Durchmessern der ringförmigen Strömungsbahn (40) angeordnet ist, die größer als 50 % des radialen Abstandes von dem Außendurchmesser zum Innendurchmesser ist.

   Z, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ die Temperaturfühlerstelle zwischen 55. und 85 % der radialen Strecke von dem Außendurchmesser fcujn Innendurchmesser der ringförmigen Luftströmungsbahn - liegt.

   I NAOHaERElGHT|

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Lufttemperaturfühlerstelle bei im wesentlichen 55 % der radialen Strecke vom Außendurchmesser zum Innendurchmesser der ringförmigen Luftströmungsbahn liegt.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (20) zum Abfühlen der Lufttemperatur vor der Verdichterstufe (29) angeordnet ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Abfühlen der Temperatur zwischen einer Boosterstufe (17) und einer Verdichterstufe liegt.

   €. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innen- und eine Außenwand die inneren und äußeren Durchmesser zur Begrenzung der ringförmigen Luftströmung in den Turbomaschinen bilden und die Fühlvorrichtung (20) nahe der Außenwand befestigt ist und in die ringförmige Luftströmungsbahn hineinragt.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Steuern von Turbomaschinen-Verdichterschaufeln, deren Angriffswinkel in Abhängigkeit von der Verdichtereinlaßtemperatur einer Luftströmung verstellbar ist, wobei die Luftströmung eine im wesentlichen ringförmige Strömungsbahn mit einem inneren und einem äußeren Durchmesser ist, dadurch gekennzeichnet , daß

   (a) die Vorrichtung (20) zum Abfühlen der Temperatur der in den Verdichter eintretenden Luftströmung an einer Stelle zwischen dem Innen- und Außendurchmesser der ringförmigen Luftströmungsbahn, die größer als 50 % der radialen Strecke von dem Außendurchmesser zum Innendurchmesser ist, angeordnet ist,

   (b) Mittel zum Erzeugen eines Signals gemäß der Temperaturmessung und

   (C) auf das Signal ansprechende Mittel vorgesehen sind, durch die de* Angriffswinkel der verstellbaren Statorschaufeln in Richtung auf eine Schließstellung gemäß den Temperaturmessüngen vorspannbar ist, um die Strömungsabrißgrenze des Verdichters in deir Turbomaschine zu verbessern, wenn die Luftströmung einen 0 I übersteigenden Feuchtigkeitsgehalt enthält.

   8» Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn-ζ ei e h η e t , daß die Vorrichtung (20) zum Abfühlen der Luftt^roperatur einen schraubenförmigen Spulenfühler, der ein unter Druck stehendes Gas enthält, und einen Schutz (35) mit einer Mittelöffnung (43) aufweist, der die Vorderkante der schraubenförmigen Spule umgibt, so daß sich Luft hinter dem Mantel und über den Spulenwindungen ausdehnen kann,

   9·. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-

   zeichnet, daß das Gas Helium ist.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet , daß der Schutz (35) eine konische Form aufweist zum Abweisen von Wassertröpfchen in der Luftströmung von der Mittelöffnung (43) weg.