DE2031612A1

DE2031612A1 - Vielstufiger Axialkompressor mit einem Luftableitsystem als Zwischen stufe

Info

Publication number: DE2031612A1
Application number: DE19702031612
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: 1970-06-26
Publication date: 1971-04-15
Also published as: US3632223A; BE752584A; GB1310401A; FR2060529A5

Description

Dr.'rer.'nat. Horst Schüler 6 Frankfurt/Main 1, den 25. Juni 1970

PATENTANWALT ~_Λ ~ „ _Λ Nrddastraße 52 Vo./vt.

2031612 Telefon (0611)237220

Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 523/3168 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

1555-13D-5255

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N. Ϊ. / USA

Vielstufiger Axialkompressor mit einem Luftableitsystem als

Zwischenstufe

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in Gasturbinentriebwerken mit Axialkompressoren und insbesondere auf hierfür zu verwendende verbesserte Luftableitsysteme als Zwischenstufen.

Die Hauptfunktion des Kompressors eines Gasturbinentriebwerkes besteht in der Kompression der Luft, so daß die Energie des durch das Triebwerk erzeugten heißen Gasstromes vergrößert werden kann. Diese komprimierte Luft wird auch für andere Zwecke "-»rwendet, wie z. B. zur Kühlung der heißen Abschnitte des Triebwerkes und zur Druckerzeugung in den Schmiersümpfen für die rotierenden Teile.

Ein großer Teil der für andere Zwecke verwendeten Luft benötigt nicht die am Kompressorausgang erzeugten Druckwerte oder kann diese nicht verwenden. Es ist seit langer Zeit bekannt» daß der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes dadurch verbessert

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werden kann, daß beispielsweise für die Kühlung oder ähnliche Zwecke unter geringerem Druck stehende Luft von einer Zwischenstufe eines vielstufigen Axialkompressors abgeleitet wird. Kompressoren dieser Art werden gewöhnlich für Hochleistungs-Gasturbinentriebwerke verwendet. Es sind zwar für derartige Zwecke Luftableitsysteme verwendet worden, diese konnten aber die möglichen Verbesserungen des Wirkungsgrades nicht voll realisieren. Dies galt insbesondere in den Fällen, wo große Luftmengen abgeleitet werden mußten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige Luftableitsysteme zu verbessern und die Nachteile bzw. Beschränkungen bekannter Systeme zu vermeiden oder auf ein Minimum herabzudrücken. Diese bekannten Systeme riefen in der abgeleiteten Luft relativ große Energieverluste hervor und vergrößerten das Gewicht und die Länge des Triebwerkes mit einem Ableitsystem.

Diese Aufgaben werden bei einem vielstufigen Axialkompressor für ein Gasturbinentriebwerk, der ein äußeres Gehäuse mit in axialem Abstand auf dem Umfang angeordneten Reihen nach innen ragender Statorschaufeln und einen Rotor mit auf dem Umfang angeordneten Blattreihen aufweist, die sich nach außen erstrecken und auf entsprechende Weise stromaufwärts der Statorschaufelreihen angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Gehäuse ein kreisförmiger Ableitkanal ausgebildet ist₉ dessen äußere Oberfläche am stromabwärts gelegenen Ende einer der Statorschaufelreihen als eine Fortsetzung der Außenfläche des Kompressor-Strömungsweges gestaltet ist, eine kreisförmige Lippe nach innen mit Abstand zu den Außenenden dieser Statorschaufelreihe angeordnet ist und den Eingang zu dem Ableitkanal umgrenzt ₃ wobei die Lippe relativ scharf ist und einen kleinen einbeschriebenen Winkel bildet, so daß der Ableitkanal und der Kompressor-Strömungsweg unter einem relativ kleinen Winkel auseinanderlaufan, und sich vom stromabwärts gelegenen Ende des Kompressorgehäuses an sich bekannte Strömungsleitvorrichtungen zu.einem Verwendungs-

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ort für die abgeleitete Luft erstrecken.

Der Eingang zu dem kreisförmigen, von einer kreisförmigen Lippe begrenzten Ableitkanal ist zwischen einer der Statorschaufelreihen und einer Rotürblattreihe am Abströmungsende der Statorschaufeln angeordnet. Vorzugsweise ist der Ableitkanal ein Diffusor, um die Geschwindigkeit der abgeleiteten Luft herabzusetzen, so daß die Energieverluste in dieser übertragung zu einem Verwendungsort möglichst klein gemacht werden.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß das Kompressorgehäuse in Abschnitten oder Segmenten aufgebaut ist, die durch radiale Flansche nahe dem stromabwärts gelegenen Ende des ersten Rotorblattes verbunden sind, das von dem Luftableitkanal umgeben ist. Diese Anordnung erleichtert es, für die Bildung der Eingangslippe und den ersten Teil des Ableitkanales einen auswechselbaren Einsatz vorzusehen. Im Falle einer Abnutzung an dieser Stelle kann der relativ billige Einsatz leicht ausgewechselt werden, um die volle Betriebsfähigkeit des Kompressors wieder herzustellen .

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist eine vereinfachte, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines die Erfindung umfassenden Gasturbinentriebwerkes.

Figur 2 ist ein vergrößerter Detailschnitt des erfindungsgemäßen Ableitzwischensystems.

Figur 3 ist ein Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2.

Das aus Figur 1 ersichtliche Triebwerk enthält ein äußeres Gehäuse 10, das aus verschiedenen Abschnitten zusammengesetzt sein

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kann. Die Luft tritt in einen Einlaß an einem Ende des Gehäuses 10. ein und wird durch einen vielstufigenr Axialkompressor 12 verdichtet. Die komprimierte Luft unterstützt die Verbrennung des Brennstoffes in einer Brennkammer 14 zur Erzeugung eines heißen Gasstrahles. Ein Teil der Energie des heißen Gas-Strahles wird zum Antrieb einer Turbine 16 verwendet. Der Turbinenrotor 18 ist über eine Welle 2O mit dem Kompressorrotor verbunden. Die verbleibende Energie des heißen Gasstrahles kann durch Ausstoßen aus einer Düse 24 in eine Vortriebskraft umgewandelt werden.

Wenn höhere Betriebstemperaturen erreicht wurden, sind komplizierte Kühlsysteme entwickelt worden, um eine überhitzung der Triebwerkskomponenten, zu verhindern. Wie bereits vorstehend dargelegt wurde, kann von einer Zwischenstufe des Kompressors abgeleitete Luft sehr wirkungsvoll vielen Kühlfunktionen dienen und desgleichen Schmiersümpfe für rotierende Komponenten des Triebwerkes unter Druck setzen und deren Abdichtung unterstützen.

Der Strömungsverlauf der abgeleiteten Luft vom Kompressor zum Verwendungsort kann viele Formen annehmen, die häufig durch die Art des Gasturbinentriebwerkes und der Entwicklungskonzeption bestimmt sind. Aus diesem Grunde wurde eine unterbrochene Linie 26 verwendet, um den Strömungsverlauf der abgeleiteten Luft zu einem Verwendungsort bei der Kühlung eines Abschnittes der Turbine 16 anzugeben. Der schematisch dargestellte Strömungsverlauf beginnt an einem Punkt, nachdem die Luft von dem Kompressor durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung abgeleitet worden ist, die nun anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben wird.

Das den Kompressor umgebende Triebwerksgehäuse umfaßt zwei halbrunde Abschnitte 30 und 32, die entlang einer nicht dargestellten, in Längsrichtung verlaufenden Trennlinie und durch radiale Flansche 36 hindurchlaufende Bolzen 34 verbunden sind. In einer auf dem Umfang herumführenden Reihe auf dem Gehäuseabschnitt sind Statorschaufeln 38 angeordnet^ Zwischen den Schaufeln 38

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und der nächstfolgenden Reihe der auf dem Kompressorrotor 22 montierten Blätter 40 wird die Fläche des Strömungsweges im Kompressor verkleinert. Diese Verkleinerung der Strömungsfläche wird durch eine kreisförmige Lippe 39 erzielt, welche den Eingang zu einem Luftableitkanal 41 umgibt. Der Kanal 41 ist im wesentlichen kreisförmig und ist lediglich durch longitudinale Rippen 42 unterbrochen, die die inneren und äußeren Wände des Kanals 4l verbinden. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß sich der Querschnitt des Kanales 41 von dessen Einlaß an der Lippe 39 zu dessen Auslaß an dem stromabwärts gelegenen Ende des Gehäuseabschnittes 32 vergrößert, damit die abgeleitete Luft auf ihrem Weg entlang dieses Kanals streut.

Vorzugsweise sind die Lippe 39 und der Anfangsteil des Kanals 41 von gekrümmten Einsätzen 43 gebildet, die an den Gehäuseabsehnitten 30 lösbar und auswechselbar befestigt sind. Eine derartige Befestigung kann beispielsweise durch eine Ansatz- und Vertiefungsanordnung erfolgen, in der die nicht gezeigten Schlitze in der Vertiefung für einen Ein- und Ausbau nach Art eines Bajonettverschlusses sorgen. Der Anfangsteil des Kanals 4l umgibt die rotierende Reihe der Blätter 40. Die beschriebenen Einsätze erleichtern die Reparatur des Gehäuses, wenn sich die Blätter 40 gegen die innere Wandung des Gehäuses abgenutzt oder abgeschliffen haben. In einem derartigen Fall können die Einsätze 43 einfach in gleicher Weise ersetzt werden wie die Einsätze, die die anderen Reihen der Rotorblätter umgeben. Es ist somit möglich, eine dünne Lippe 39 und gleichzeitig eine Erleichterung für wirtschaftliche Reparaturen zu haben.

Der kleine einbeschriebene Winkel der kreisförmigen Lippe 39 3etzt die Strömungsverluste auf ein Minimum herab und erlaubt, daß die mit hoher Geschwindigkeit strömende Luft unter einem kleinen Ablenkwinkel von dem Kompressor abgeleitet wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Außenfläche des Ableitkanals 4l eine sanft gewölbte PortSetzung der inneren -Ober-■

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fläche des Gehäuseabschnittes 30 ist. Weiterhin tritt durch die Anordnung der Lippe 39 stromabwärts von der Reihe der Statorschaufeln 38 die Ableitluft in praktisch axialer Richtung in den Ableitkanal 41 ein. Alle diese Maßnahmen machen die Verluste im Staudruck (velocity head) der abgeleiteten Luft möglichst klein. Dies bedeutet, daß die Ableitluft praktisch bei dem Gesamtdruck der Kompressorstufe verwendet werden kann, von der die Luft abgeleitet wird. Die Diffusorwirkung des in die Kompressorabschnitte 32 eingebauten Kanales 4l setzt die Geschwindigkeit der Luft wesentlich herab, so daß sie mit einem minimalen Energieverlust durch den Strömungspfad 26 hindurch zu einem Verwendungsort strömen kann.

Es wird deutlich, daß bei der beschriebenen Vorrichtung für die Ableitung der Luft die axiale Länge des Kompressor im wesentlichen unbeeinflußt ist. Somit ist der Abstand zwischen der Reihe der Statorschaufeln 38 und der Reihe der Blätter 40 im wesentlichen der Gleiche wie der übliche Abstand zwischen diesen Reihen, wenn keine Luft abgeleitet wird.

Ein weiteres Merkmal ist darin zu sehen, daß der Strömungsweg des Kompressors stromabwärts von dem Ableitkanal dadurch verkleinert ist, daß der Außendurchmesser des. Strömungsweges herabgesetzt ist. Dadurch wird ermöglicht, daß der Rotor, der ei- " nen stark beanspruchten Körper darstellt, in seiner tragenden Konfiguration ohne abrupte Veränderungen seines Durchmessers möglichst optimal gestaltet wird. Diese Flächenverkleinerung an den Blättern 40 kommt der Eingangsfläche zum Ableitkanal ¹Jl sehr nahe, so daß an diesem Punkt nur eine minimale Störung der Luftströmung auftritt.

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Claims

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Ansprüche

11.)Vielstufiger Axialkompressor für ein Gasturbinentriebwerk, der ein äußeres Gehäuse mit in axialem Abstand auf dem Umfang angeordneten Reihen nach innen ragender Statorschau-· fein und einen Motor mit auf dem Umfang angeordneten Blattreihen aufweist, die sich nach außen erstrecken und auf entsprechende Weise stromabwärts der StatorschaufeIrqihen ange- -' ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (10) ein kreisförmiger Ableitkanal (41) ausgebildet ist, dessen äußere Oberfläche am stromabwärts gelegenen Ende einer der StatorschaufeIreihen als eine Fortsetzung der Außenfläche des Kompressor-Strömungsweges gestaltet ist, eine kreisförmige Lippe (39) nach innen mit Abstand zu den Außenenden dieser Statorschaufelreihe angeordnet ist und den Eingang zu dem Ableitkanal (41) umgrenzt, wobei die Lippe (39) relativ scharf ist und einen kleinen einbeschriebenen Winkel bildet, so daß der Ableitkanal (41) und der Kompressor-Strömungsweg unter einem relativ kleinen Winkel auseinanderlaufen, und sich vom stromabwärts gelegenen Ende des Kompressorgehäuses (10) an sich bekannte Strömungsleitvorrichtungen (26) zu einem Verwendungsort für die abgeleitete Luft erstrecken.

2. Axialkompressor nach Anspruch 1 , dad u r c h g e kennzeichnet , daß die Querschnittsfläche des Ableitkanales (41) mit steigender Kanallänge zunimmt und die Ableitluft auf eine kleinere Geschwindigkeit herabsetzbar ist........

3· Axialkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Innen- und Außenabschnitte des Gehäuses (10), welche die gegenüberliegenden Seiten des Ableitkanales (41) bilden, durch Längsrippen (42) miteinander verbunden sind.

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4. Axialkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) in einer zur Triebwerksachse senkrechten Ebene und am stromabwärts gelegenen Ende der ersten Rotorblattreihe, welche der Ableitkanal (41) umgibt, geteilt ist, an dem stromaufwärts · gelegenen Gehäuseabschnitt ein auswechselbarer Einsatz (43*) angebracht ist, der die kreisförmige Lippe (39) und den Anfangsteil des Ableitkanals (41) bildet, und eine Reparatur

" des Gehäuses durch den Einsatz (43) erleichtert ist, wenn ein Rotorblatt (40) Abriebzerstörungen auf dem Gehäuse hervorgerufen hat.

5. Axialkompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittsfläche des Ableitkanales (41) mit steigender Kanallänge zunimmt, wobei die Geschwindigkeit der. Ableitluft herabsetzbar ist, und die Innen- und Außenabschnitte des Gehäuses (10), welche die gegenüberliegenden Seiten des Ableitkanals (41) bilden, durch Längsrippen (42) miteinander verbunden sind.

6. Axialkompressor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß er gemäß der Beschreibung und den Figuren 1 bis 3 aufgebaut ist.

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