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Verbesserter Verdichter in Axialbauart - Dokument DE102005045255A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005045255A1 29.03.2007
Titel Verbesserter Verdichter in Axialbauart
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Zotz, Georg, 85778 Haimhausen, DE
DE-Anmeldedatum 22.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005045255
Offenlegungstag 29.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.03.2007
IPC-Hauptklasse F04D 29/58(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F04D 29/54(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein verbesserter Verdichter in Axialbauart für ein Gasturbinentriebwerk, wobei der Verdichter zumindest einen Rotor mit Laufschaufeln und ein über seine axiale Länge mehrteilig aufgebautes Verdichtergehäuse mit Leitschaufeln aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein steuer- bzw. regelbares Gehäusekühlsystem zur thermischen Anpassung des Verdichtergehäuses an den Rotor vorgesehen ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Verdichter in Axialbauart nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Heutige Strahltriebwerke werden in der Regel mit einem Axialverdichter versehen. Der Vorteil eines Axialverdichters liegt in der Fähigkeit, große Druckverhältnisse bei hohem Durchsatz zu liefern. Ferner ist der Einfluss auf die Strömung wesentlich günstiger, als bei Radialverdichtern. Bei Axialverdichtern läuft die Hauptströmung parallel zur Triebwerkslängsachse, wodurch nahezu keine Umlenkverluste entstehen.

Ein herkömmlicher Axialverdichter weist verschiedene Bauteile auf. Hierzu gehören das Eintrittsgehäuse, das Verdichtergehäuse mit den Leitschaufeln, der Verdichterrotor mit den Laufschaufeln und das Austrittsgehäuse.

Die in das Triebwerk einströmende Luft passiert zunächst das Eintrittsgehäuse. Die Rückseite des Eintrittsgehäuses ist häufig als Flansch ausgebildet, der mehrere Bohrungen besitzt und auf diese Weise mit dem Verdichtergehäuse verschraubt wird.

Die Innenseite des Verdichtergehäuses trägt die Leitschaufeln. Hierzu sind in Umfangsrichtung beispielsweise T-förmige Schlitze vorgesehen, in welche die Leitschaufelkränze einführbar sind. An bestimmten Stellen besitzt das Gehäuse über den gesamten Umfang Abblaseluftkanäle, durch die verdichtete Luft entnommen werden kann. Die Abblaseluft kann verwendet werden, um das Betriebsverhalten des Verdichters bei bestimmten Betriebsbedingungen zu verbessern. In diesem Fall wird die entnommene Luft nicht weiterverwendet und ins Freie geleitet. Ein bestimmter Anteil der verdichteten Abblaseluft wird ständig entnommen und versorgt verschiedene Systeme. Hierzu gehören beispielsweise die Erhaltung eines gleichmäßigen Kabinendrucks, die Temperierung elektronischer Geräte, etc.

Im Triebwerk dient die Abblase- oder Zapfluft auch zur Erwärmung der Stützstreben des Eintrittsgehäuses und zur Kühlung der heißen Turbinenschaufeln.

Das Austrittsgehäuse leitet die vom Verdichter gelieferte Luft der nachgeschalteten Brennkammer zu. Zur Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit sind die Kanäle diffusorförmig ausgebildet. Die vom Verdichtergehäuse kommenden Kräfte werden über einen ringförmigen Flansch in das Austrittsgehäuse eingeleitet.

2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein bekanntes Hochdruckverdichtergehäuse. Hier sind an der Gehäuseinnenwand Leitschaufeln 2 angeordnet, die sich zum Austritt hin radial kleiner werdend mit Laufschaufeln 3 abwechseln. Radial weiter außen weist das Verdichtergehäuse 1 eine Ummantelung 9 auf, wodurch eine Kammer 13 zwischen der Ummantelung 9 und den Sektionen 4, 5, 6 gebildet wird. Die Gehäusesektionen sind dabei über radial hohe Flansche 17, 18 mit Schrauben mit enger Lochteilung miteinander verbunden. Das thermische Verhalten der Sektionen 4, 5, 6 wird u.a. durch eine massive Ausführung an das thermisch träge Verhalten des Rotors angepasst. Die thermische Abstimmung von Verdichter und Rotor, d.h. die Spaltbreite zwischen Verdichtergehäusewand und Laufschaufelspitzen, kann hier im Grunde nur für einen Betriebspunkt erfolgen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden und einen verbesserten Verdichter in Axialbauart zur Verfügung zu stellen, dessen thermisches Verhalten für verschiedene Betriebspunkte optimiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen verbesserten Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer, verbesserter Verdichter in Axialbauart für ein Gasturbinentriebwerk, wobei der Verdichter zumindest einen Rotor mit Laufschaufeln und ein über seine axiale Länge mehrteilig aufgebautes Verdichtergehäuse mit Leitschaufeln aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein steuer- bzw. regelbares Gehäusekühlsystem zur thermischen Anpassung des Verdichtergehäuses an den Rotor vorgesehen ist.

Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden, und die thermische Abstimmung kann über den gesamten Betriebsbereich erfolgen. Dabei kann die Kühlung durch Abblaseluft erfolgen, die bei Bedarf über die Gehäusesektionen geführt wird und somit ein zu schnelles Aufheizen besonders der hinteren Gehäusestufen verhindert. Durch beispielsweise Eingabe von Steuerkurven, kann die Luftmenge and die jeweilige Rotorbewegung in einem Betriebspunkt angepasst werden.

Durch das thermische Anpassen des Gehäuses an den Rotor kann der Luftspalt zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse für die gesamten Betriebspunkte optimiert werden. Damit verbunden ist eine Erhöhung von Pumpgrenze und Wirkungsgrad. Die Arbeitslinie kann angehoben werden und das Gesamtdruckverhältnis kann erhöht werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zur Kühlung ein Luftführungsrohr vorgesehen ist, das Abblaseluft über das Verdichtergehäuse führt. Durch die entsprechende Ausbildung von beispielsweise Luftführungsschlitzen, Luftführungskanälen, Ventilen und Kühlflächen wird die sonst gestaute, erwärmte Luft abgeführt und das Ausdehnungsverhalten insbesondere der Verdichtergehäuseelemente in den höheren Verdichterstufen an die jeweilige Ausdehnung des Rotors und der Laufschaufeln angepasst.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Regeleinheit zum Regeln des Kühlluftstroms über das Verdichtergehäuse vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass im Gegensatz zum Abfahren von Steuerkurven tatsächliche Verhältnisse berücksichtigt werden, d.h. auch bei Abweichungen vom Normalzustand an einem Betriebspunkt wird das Verdichtergehäuse optimal abgestimmt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass einzelne Sektionen des Verdichtergehäuses axial miteinander über ein Luftführungsrohr verspannt sind. Durch die axiale Verspannung über ein Luftführungsrohr können die sonst üblichen Schraubverbindungen an den einzelnen Gehäusesektionen entfallen, was zu einer Gewichtsreduzierung beiträgt. Dies führt wiederum zu einer Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Fernre wird durch Wegfall der Flanschverschraubung die Wartung und Montage erheblich erleichtert, was ebenfalls zur Kostenersparnis beiträgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Verdichter ein Hochdruckverdichter ist. Hier ist die Wirkung der Gehäusekühlung am effektivsten, da hier die Gehäuseerwärmung durch die verdichtete Luft am größten ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass Temperaturfühler zur Überwachung der Gehäusetemperatur vorgesehen sind. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise ein geschlossener Regelkreis realisieren.

Schließlich sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass zumindest ein ansteuerbares Regelventil zur Regelung des Kühlluftstroms vorgesehen ist. Hierdurch wird der Massenstrom je nach Bedarf variiert.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter;

2 einen schematischer Längsschnitt durch einen Verdichter nach dem Stand der Technik.

Bei den abgebildeten Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Richtungsangaben beziehen sich auf die Längsachse des Axialverdichters.

1 zeigt u.a. ein Verdichtergehäuse 1. Darin sind Leitschaufeln 2 und Laufschaufeln 3 dargestellt, die abwechselnd hintereinander angeordnet sind und deren radiale Schaufelhöhe in Strömungsrichtung abnimmt. Das Verdichtergehäuse 1 besteht dabei aus mehreren, axial miteinander verspannten Sektionen 4, 5, 6, 7. Die einzelnen Sektionen 4, 5, 6, 7 sind dabei jeweils über ein Luftführungsrohr 20 verspannt, welches auch eine Ummantelung 9 des Verdichtergehäuses 1 bildet.

Die Sektionen 4, 5, 6, 7 bilden zusammen mit der Ummantelung 9 jeweils ringförmige Kammern 13, 14, 15, die sich jeweils über einen Laufschaufelkranz erstrecken. Je nach Erwärmung des Verdichtergehäuses 1 bzw. einzelner Sektionen 4, 5, 6, 7, ändert sich der Spalt zwischen Rotor und Verdichtergehäuseinnenseite. Hier greift nun die vorliegende Erfindung. Über einen Abblaselufteintritt 10 wird Luft bei Bedarf über ein Regelventil 11 und einen Abblaseluftanschluss 12 nicht vollständig entnommen, sondern zumindest teilweise über Luftdurchtritte 8 den Kammern 13, 14, 15 über den hinteren Verdichtergehäusesektionen 5, 6, 7 zugeführt. Die Luftströmung der Abblaseluft bei zugeschalteter Gehäusekühlung ist in der Zeichnung mit etwa horizontalen Pfeilen dargestellt. Die Luft wird dabei vom Abblaselufteintritt zu den hinteren Stufen geführt, wo sie die Kammer 15 über mindestens eine Austrittsöffnung 19 verlässt.

Hierdurch wird ein schnelles Aufheizen in den hinteren Gehäusestufen verhindert. Durch Regelung der Luftmenge kann eine Anpassung an die Rotorbewegung erfolgen, d. h. durch das gekühlte Gehäuse kann die Abstimmung über den gesamten Betriebsbereich erfolgen. Durch die thermische Anpassung des Gehäuses an den Rotor mit den Laufschaufeln kann der Luftspalt für die gesamten Betriebspunkten optimiert werden. Damit verbunden ist eine Erhöhung der Pumpgrenze und des Wirkungsgrads. Die Arbeitslinie kann angehoben, und das gesamte Druckverhältnis kann erhöht werden.

Ferner können durch die axiale Verspannung über das Luftführungsrohr die geschraubten Verbindungen an den einzelnen Gehäusesektionen entfallen, was zu einer Gewichtsreduzierung und Montageerleichterung führt.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der prinzipiellen Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

1
Verdichtergehäuse
2
Laufschaufel
3
Laufschaufel
4
Sektion
5
Sektion
6
Sektion
7
Sektion
8
Luftdurchtritt
9
Ummantelung
10
Abblaselufteintritt
11
Regelventil
12
Abblaseluftanschluss
13
Kammer
14
Kammer
15
Kammer
16
Spalt
17
Flansch
18
Flansch
19
Austrittsöffnung
20
Luftführungsrohr


Anspruch[de]
Verbesserter Verdichter in Axialbauart für ein Gasturbinentriebwerk, wobei der Verdichter zumindest einen Rotor mit Laufschaufeln (3) und ein über seine axiale Länge mehrteilig aufgebautes Verdichtergehäuse (1) mit Leitschaufeln (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuer- bzw. regelbares Gehäusekühlsystem zur thermischen Anpassung des Verdichtergehäuses (1) an den Rotor vorgesehen ist. Verbesserter Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftführungsrohr (20) vorgesehen ist, das Abblaseluft aus dem Verdichter über das Verdichtergehäuse (1) führt. Verbesserter Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit zum Regeln des Kühlluftstroms über das Verdichtergehäuse (1) vorgesehen ist. Verbesserter Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Sektionen (4 bis 7) des Verdichtergehäuses (1) axial miteinander über das Luftführungsrohr (20) verspannt sind. Verbesserter Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein Hochdruckverdichter ist. Verbesserter Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturfühler zur Überwachung der Temperatur des Verdichtergehäuses (1) vorgesehen sind. Verbesserter Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein ansteuerbares Regelventil (11) zur Regelung des Kühlluftstroms vorgesehen ist.






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