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Hintergrund der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere
auf die Vergrößerung des
Bereiches stabiler Strömung
der Verdichtungssystems darin, wie etwa der Bläser, Niederdruckverdichter
und Verdichter, unter Verwendung von Plasmaaktuatoren.
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In
einem Mantelstrom-Flugzeuggasturbinentriebwerk wird Luft in einem
Bläsermodul,
einem Niederdruckverdichtermodul und einem Verdichtungsmodul während des
Betriebs unter Druck gesetzt. Die durch das Bläsermodul hindurch tretende
Luft wird größtenteils
in einen Mantelstrom geleitet und zur Erzeugung des Großteils des
Schubs verwendet, der zum Antrieb eines-Flugzeugs beim Flug benötigt wird.
Die durch das Niederdruckverdichtermodul und das Verdichtungsmodul
geleitete Luft wird in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt
und gezündet, wobei
sie heiße
Verbrennungsgase erzeugt, die durch Turbinenstufen strömen, die
den Gasen Energie entziehen, um den Bläser-, den Niederdruckverdichter-
und den Verdichterrotor anzutreiben. Das Bläser-, das Niederdruckverdichter-
und das Verdichtermodul weisen eine Reihe von Rotorstufen und Statorstufen
auf. Der Bläser-
und der Niederdruckverdichterrotor werden typischerweise von einer
Niederdruckturbine angetrieben, und der Verdichterrotor wird von
einer Hochdruckturbine angetrieben. Der Bläser- und der Niederdruckverdichterrotor
sind aerodynamisch mit dem Verdichterrotor gekop gelt, während diese
normalerweise bei unterschiedlichen mechanischen Drehzahlen arbeiten.
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Bei
der Konstruktion von Verdichtungssystemen, wie etwa Bläsern, Niederdruckverdichtern
und Verdichtern ist die Effizienz beim Verdichten der Luft mit einer
ausreichenden Strömungsabrissreserve über der
Hüllkurve
des gesamten Flugbetriebs von Start, Reiseflug und Landung entscheidend.
Die Verdichtungseffizienz und die Strömungsabrissreserve stehen jedoch
normalerweise in einer entgegen gesetzten Beziehung, wobei eine
steigende Effizienz typischerweise mit einer Verringerung der Strömungsabrissreserve
einhergeht. Die einander entgegenstehenden Erfordernisse der Strömungsabrissreserve und
der Effizienz sind insbesondere in Hochleistungs stahltriebwerken
herausfordernd, die unter Betriebsbedingungen, wie etwa starken
Veränderungen
der Einströmung
und erhöhten
Hilfsleistungsentnahmen arbeiten, während weiterhin ein hohes Maß an Strömungsabrissreserve
in Verbindung mit einer hohen Verdichtungseffizienz gefordert- wird.
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Strömungsabrisse
des Verdichtersystems werden gewöhnlich
durch einen Strömungszusammenbruch
an der Spitze des Verdichterrotors verursacht. In einem Hochdruckverdichter
einer Gasturbine bestehen Spitzenfreiräume zwischen Laufschaufelspitzen
und einem stationären
Gehäuse,
das die Schaufelspitzen umgibt. Während des Triebwerksbetriebs
strömt
Verdichtungsluft als Leckströmung
von der Druckseite durch den Spitzenfreiraum auf die Saugseite.
Diese Leckströmungen
können
bewirken, dass sich an dem Spitzenbereich der Schaufel Wirbel bilden.
Die Wirbel können
in Intensität
und Größe wachsen,
eine Blockade und Verluste bewirken, wenn das Verdichtungssystem
gedrosselt wird, und letztendlich zu einem Strömungsabriss des Verdichtungssystems
und einer Verringerung der Effizienz führen.
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Dementsprechend
wäre es
wünschenswert, ein
Verdichtungssystem zu haben, bei dem die Blockade und der Verlust
durch Schaufelspitzenwirbel minimiert werden, um die Betreibbarkeit
des Triebwerks durch eine Verzögerung
des Einsetzens eines Strömungsabrisses
in dem Verdichtungssystem zu verbessern. Es wäre wünschenswert, ein System zum
Verringern der Spitzenleckströmung
durch eine Verringerung des wirksamen Abstandes zwischen den Spitzen
der Laufschaufeln und einem Gehäuse oder
einer Auskleidung, die die Schaufelspitzen umgibt, zu haben. Es
wäre wünschenswert,
ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeuggasturbinentriebswerks
zum Verbessern des Bereiches mit stabiler Strömung und zum Steigern der Effizienz
des Verdichtungssystems des Triebwerks zu haben.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Der
oben genannte Bedarf oder die oben genannten Erfordernisse können durch
beispielhafte Ausführungsformen
erfüllt
werden, die ein System zur Vergrößerung des
Bereiches stabilen Betriebs eines Verdichters, wobei das System
einen Verdichter mit einer umlaufenden Reihe von Laufschaufeln,
ein die Schaufelspitzen umgebendes Gehäuse, das radial von den Schaufelspitzen
getrennt angeordnet ist, und wenigstens einen an dem Gehäuse angeordneten
Plasmagenerator aufweist. Der Plasmagenerator weist eine erste Elektrode
und eine zweite Elektrode auf, die durch ein dielektrisches Material
getrennt sind. Der Plasmagenerator ist zur Bildung eines Plasmas
zwischen dem Gehäuse
und den Schaufelspitzen betreibbar, um die Strömungsabrisslinie des Verdichters
anzuheben. Durch eine Verringerung der Leckströmung zwischen dem Gehäuse und
den Schaufelspitzen wird die Verdichtereffizienz gesteigert.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Gasturbinentriebwerk mit
einem Plasmaaktuatorsystem in einer Verdichtungsstufe weiterhin
ein Triebwerkssteuerungssystem 74, das den Betrieb des
Plasmagenerators 60 so steuert, dass die Strömungsabrisslinie
des Verdichters 18 angehoben wird.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist der Plasmagenerator an einer segmentierten Auskleidung angebracht.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist der Plasmaaktuator
einen ringförmigen
Aufbau auf. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform
enthält
das Plasmaaktuatorsystem einen diskreten Plasmagenerator.
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Ein
Flugzeuggasturbinentriebwerk kann unter Verwendung eines Verfahrens
zum Betreiben des Plasmageneratorsystems betrieben werden, um den stabilen
Strömungsbereich
des Verdichtungssystems in dem Triebwerk zu verbessern. Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung kann ein Flugzeuggasturbinentriebwerk
unter Anwendung eines Verfahrens zum Verringern der Spitzenleckströmung durch eine
Verringerung des wirksamen Abstandes zwischen den Spitzen der Laufschaufeln
und einem Gehäuse
oder einer Auskleidung, die die Schaufelspitzen umgibt, betrieben
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der
Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in dem anschließenden Teil
der Beschreibung im Ein zelnen dargelegt und genau beansprucht. Die
Erfindung kann jedoch am besten unter Bezugnahme auf die folgende
Beschreibung verstanden werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
betrachtet wird:
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Gasturbinentriebwerks
mit einer beispielhaften Ausführungsform
eines Plasmaaktuatorsystems in einer Verdichtungsstufe.
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2 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Abschnitts des Verdichters des in 1 gezeigten
Gasturbinentriebwerks.
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3 ist
ein beispielhaftes Kennlinienfeld eines in 2 gezeigten
Verdichters.
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4a zeigt
die Bildung eines Bereiches umgekehrter Strömung in einem Schaufelspitzenwirbel
in einer Verdichtungsstufe.
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4b zeigt
die Streuung des Bereiches umgekehrter Strömung in dem in 4a gezeigtem Schaufelspitzenwirbel,
wenn der Verdichter oberhalb der Betriebslinie gedrosselt wird.
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4c zeigt
die umkehrte Strömung
in dem Wirbel an dem Schaufelspitzenbereich während eines Strömungsabrisses.
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5 ist
eine schematische Querschnittsansicht des Spitzenbereiches eines
Verdichters mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Plamageneratorsystems.
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6 ist
eine schematische Draufsicht der Schaufelspitzen eines Verdichters
mit einer beispielhaften Ausführungsform
eines Plasmageneratorsystems.
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7 ist
eine schematische Draufsicht der Schaufelspitzen eines Verdichters
mit einer beispielhaften Ausführungsform
eines Plasmageneratorsystems.
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8 ist
eine isometrische Ansicht eines Auskleidungssegmentes eines Verdichters
mit einer beispielhaften Ausführungsform
eines Plasmagenerators.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Unter
Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen
Elemente in den verschiedenen Ansichten kennzeichnen: 1 zeigt ein
beispielhaftes Mantel stromgasturbinentriebwerk 10, das
eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Es enthält eine Triebwerkszentralachse 8,
einen Bläser 12,
der Umgebungsluft 14 aufnimmt, einen Booster oder Niederdruckverdichter
(LPC für
low Pressure compressor) 16, einen Hochdruckverdichter
(HPC für
high Pressure compressor) 18, eine Brennkammer 20,
die Brennstoff mit der durch den HPC 18 verdichteten Luft mischt,
um Verbrennungsgase oder einen Gasstrom zu erzeugen, der durch eine
Hochdruckturbine (HPT für
high Pressure turbine) 22 stromabwärts strömt, und eine Niederdruckturbine
(LPT für
low Pressure turbine) 24, von der die Verbrennungsgase
aus dem Triebwerk 10 abgegeben werden. Die HPT 22 ist
mit dem HPC 18 verbunden, um im Wesentlichen einen Hochdruckrotor 29 zu
bilden. Eine Niederdruckwelle 28 verbindet die LPT 24 sowohl
mit dem Bläser 12 als auch
mit dem Niederdruckverdichter 16. Die zweite oder Niederdruckwelle 28 ist
drehbar koaxial zu dem ersten oder Hochdruckrotor und radial innerhalb
desselben angeordnet.
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Der
HPC 18, der die durch den Kern strömende Luft verdichtet, ist
achsensymmetrisch um die in Längsrichtung
verlaufende Zentralachse 8 angeordnet. Der HPC enthält eine
Anzahl von Einlassleitschaufeln (IGV für inlet guide vane) 30 und
eine Anzahl von Statorleitschaufeln 31, die in einer Um fangsrichtung
um die längs
verlaufende Zentralachse 8 herum angeordnet sind. Der HPC 18 enthält weiterhin
mehrere Rotorstufen 19, die zugehörige Rotorschaufeln 40 aufweisen,
die sich von einer Rotornabe 39 radial nach außen erstrecken,
oder entsprechende Rotoren in Gestalt von separaten Scheiben oder einstückigen beschaufelten
Scheiben (bzw. Blisk für bladed
disk) oder ringförmigen
Trommeln 21 auf eine beliebige konventionelle Art.
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Mit
jeder Rotorstufe 19 wirkt eine zugehörige Statorstufe zusammen,
die eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Statorschaufeln 31 aufweist.
Die Anordnung der Statorschaufeln und der Rotorschaufeln ist in 2 gezeigt.
Die Rotorschaufeln 40 und die Statorschaufeln 31 bilden
Schaufelblätter
mit entsprechenden aerodynamischen Profilen oder Konturen, um den
Kernluftstrom in den axialen Stufen schrittweise unter Druck zu
setzen. Jede Rotorschaufel 40 weist einen Schaufelfuß 45,
eine Schaufelspitze 46, eine Druckseite 43, eine
Saugseite 44, eine Vorderkante 41 und eine Hinterkante 42 auf.
Die Rotorschaufeln 40 der vorderen Stufe rotieren innerhalb
eines ringförmigen
Gehäuses 50,
das die Rotorschaufelspitzen umgibt. Die Rotorschaufeln der hinteren
Stufe rotieren typischerweise innerhalb eines ringförmigen Kanals,
der durch Auskleidungssegmente 51 gebildet wird, die in
Umfangsrichtung um die Schaufelspitzen 46 herum angeordnet
sind. Im Betrieb wird der Luftdruck erhöht, wenn die Luft abgebremst
wird und sich durch die Stator- und Rotorschaufelblätter ausbreitet.
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In 3 ist
ein Kennlinienfeld des beispielhaften Verdichtungssystems 18 in
dem beispielhaften Gasturbinentriebwerk 10 mit einem korrigierten Einlassdurchsatz
entlang der X-Achse und dem Druckverhältnis auf der Y-Achse gezeigt.
Wenn hierin der Ausdruck „Druckverhältnis” verwendet
wird, ist er als das Verhältnis
von dem Gesamtdruck an dem Auslass des Verdichtungssystems dividiert
durch den Gesamtdruck an dem Einlass des Verdichtungssystems definiert.
Eine beispielhafte stationäre
Betriebslinie 116, eine transiente Betriebslinie 114 und
die Strömungsabrisslinie 112 sind
zusammen mit Linien 122, 124 konstanter Drehzahl
gezeigt. Die Linie 124 stellt eine Linie niedrigerer Drehzahl
dar, und die Linie 122 stellt eine Linie höherer Drehzahl
dar. Wenn das Verdichtungssystem bei einer konstanten Drehzahl,
wie etwa bei der Linie 124, gedrosselt wird, verringert
sich der korrigierte Einlassdurchsatz, während das Druckverhältnis ansteigt,
und der Betrieb des Verdichtungssystems verschiebt sich näher an die Strömungsabrisslinie 12 heran.
Wenn hierin der Ausdruck „Strömungsabrissreserve” verwendet
wird, so ist er bei einem konstanten korrigierten Durchsatz als das
Verhältnis
zwischen dem Druckverhältnis
bei einem Strömungsabriss
und dem Druckverhältnis
auf einer Betriebslinie minus eins definiert [(PRstall/PRol) – 1,0].
Jeder Betriebszustand weist eine zugehörige Verdichtereffizienz auf,
die konventionell als das Verhältnis
der idealen Verdichterarbeitszufuhr (isentrop) zu der tatsächlichen
Arbeitszufuhr, die zum Erreichen eines gegebenen Druckverhältnisses
erforderlich ist, definiert ist. Die Verdichtereffizient jedes Betriebszustandes
ist in dem Verdichterkennlinienfeld in Gestalt von Umrisslinien
konstanter Effizient eingezeichnet, wie etwa mit den in 3 gezeigten
Bezugszeichen 118, 120. Das Kennlinienfeld weist
einen Bereich maximaler Effizienz auf, der in 3 als
die kleinste Umrisslinie 120 dargestellt ist, und es ist
wünschenswert, den
Verdichter so oft wie möglich
in dem Bereich der maximalen Effizienz zu betreiben. Wie hierin
weiter unten erläutert
ist, schaffen die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung Mittel zum Erweitern des Bereiches stabilen Betriebs des Verdichtungssystems
durch ein Anheben der Strömungsabrissline
(siehe Bezugszeichen 113 in 3) des Verdichtungssystems
ohne einfach die Betriebslinie 116 abzusenken und Effizienz
zu opfern. In 3 ist die Strömungsabrisslinie
für einen
konventionellen Verdichter mit dem Bezugszeichen 112 gezeigt,
und die Strömungsabrisslinie
unter Verwendung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ist mit dem Bezugszeichen 113 gezeigt. Die Punkte 128 und 132 geben
den erweiterten stabilen Betriebsbereich, der durch hierin beschriebenen
beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erreicht wird, im Vergleich zu den entsprechenden
Punkten 126 bzw. 130 eines konventionellen Verdichtungssystems
wieder.
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Es
ist bekannt, dass Verdichterströmungsabrisse
durch einen Zusammenbruch der Strömung in dem Spitzenbereich 52 des
Rotors 19 hervorgerufen werden. Dieser Spitzenströmungszusammenbruch hängt mit
Spitzenleckströmungswirbeln
zu sammen, die als Umrissdarstellungen der Bereiche mit einer negativen
Axialgeschwindigkeit auf der Grundlage von numerischen strömungsmechanischen
(CFD- für computational
fluid dynamics) Analysen schematisch in den 4a, 4b und 4c gezeigt
sind. Ein Spitzenleckströmungswirbel 200 beginnt
in erster Linie an der Rotorschaufelspitze 46 nahe bei
der Vorderkante 41. In dem Bereich dieses Wirbels 200 besteht
eine Strömung,
die eine negative Axialgeschwindigkeit aufweist, das heißt in diesem
Bereich ist die Strömung
dem Hauptkörper
des Stroms entgegengerichtet und in hohem Maße ungewünscht. Wenn er nicht unterbrochen
wird, breitet sich der Spitzenwirbel 200 axial nach hinten
und tangential von der Schaufelsaugseite 44 zu der benachbarten Schaufeldruckoberfläche 43 aus,
wie es in 4b gezeigt ist. Sobald er die
Druckoberfläche 43 erreicht,
neigt die Strömung
dazu, sich in einem Bereich der Blockade an der Spitze zwischen
den Schaufeln zu sammeln, wie es in 4c gezeigt
ist, und verursacht einen hohen Verlust. Wenn der Verdichter bis
zu der Strömungsabrisslinie 112 hin
gedrosselt wird, wird die Blockade in dem Strömungskanal zwischen den benachbarten
Schaufeln zunehmend größer und
bewirkt möglicherweise,
dass der Verdichter 18 einen Strömungsabriss erfährt. Nahe bei
einem Strömungsabriss
ist das Verhalten der Strömungsfeldstruktur
in dem Schaufelkanal, speziell die Bahn des Wirbels des Schaufelspitzenfreiraums, rechtwinklig
zu der Axialrichtung, wobei der Spitzenfreiraumwirbel 200 die
Vorderkanten 41 der benachbarten Schaufeln 40 überspannt,
wie es in 4 gezeigt ist. Der Wirbel 200 beginnt
von der Vorderkante 41 an der Saugseitenoberfläche 44 der
Schaufel 40 und bewegt sich zu der Vorderkante 41 auf
der Druckseite der benachbarten Schaufel 40, wie es in 4c gezeigt
ist.
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Die
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung, die die hierin offenbarten Plasmaaktuatoren verwenden,
verzögern
das Wachstum der Blockade durch den Spitzenleckströmungswirbel 200. Wenn
die Plasmaaktuatoren gemäß den beispielhaftten
Ausführungsformen
der Erfindung angewandt und betrieben werden, erzeugen sie ein verstärktes axiales
Moment des Fluids in dem Spitzenbereich 52. Das in dem
Spitzenbereich wie unten beschrieben erzeugte Plasma verstärkt das
axiale Moment des Fluids, minimiert den Negativströmungsbereich 200 und hindert
ihn auch an einem Wachstum zu einem großen Blockadebereich. Plasmaaktuatoren,
die wie in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung gezeigt verwendet werden, erzeugen einen Ionenstrom und
eine Volumenkraft, die auf das Fluid in dem Spitzenwirbelbereich
einwirken, indem Sie es zwingen, durch den Schaufelkanal in der
Richtung der erwünschten
Fluidströmung
hindurch zu treten. Wenn hierin die Ausdrücke „Plasmaaktuatoren” und „Plasmageneratoren” verwendet
werden, haben sie die gleiche Bedeutung und werden austauschbar benutzt.
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2 stellt
in einer Querschnittsansicht schematisch beispielhafte Ausführungsformen
von Plasmaaktuatorsystemen 100 für eine erhöhte Strömungsabrissreserve und/oder
eine erhöhte
Effizienz des Verdichtungssystems in einem Gasturbinentriebwerk 10 dar,
wie etwa dem in 1 im Querschnitt gezeigten Flugzeuggasturbinentriebwerk.
Das Plasmaaktuatorsystem 100 des Gasturbinentriebwerks enthält ein ringförmiges Gehäuse 50 oder
ringförmige
Auskleidungssegmente 51, die die drehbaren Schaufelspitzen 46 umgeben.
Ein ringförmiger
Plasmagenerator 60 ist an dem Gehäuse 50 oder den Auskleidungssegmenten 51 in
ringförmigen
Nuten 54 oder Nutsegmenten 56 angeordnet, die
außerhalb von
den Schaufelspitzen 46 radial beabstandet angeordnet sind.
Die in 2 gezeigte beispielhafte Ausführungsform enthält einen
Vorderkantenplasmaaktuator 101, der in dem Gehäuse 50 nahe
bei der Spitze 46 der Vorderkante 41 angeordnet
ist, und einen Plasmaaktuator 102 innerhalb des Sehnenbereiches, der
in dem Gehäuse 50 nahe
bei der Spitze 46 der Schaufel etwa bei der Sehnenmitte
der Schaufelangeordnet ist
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5 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Plasmaaktuatorsystems 100 zum Erhöhen der Strömungsabrissreserve und/oder
zum Steigern der Effizienz eines Verdichtungssystems 18. Wenn
hierin der Ausdruck „Verdichtungssystem” verwendet
wird, schließt
er Vorrichtungen ein, die zum Erhöhen des Druckes eines durch
sie hindurch strömenden
Fluids verwendet werden, und umfasst den Hochdruckverdichter 18,
den Niederdruckverdichter 16 und den Bläser 12, die in dem
in 1 gezeigten Gasturbinentriebwerk verwendet werden.
Die in 5 gezeigte beispielhafte Ausführungsform zeigt einen ringförmigen Plasmagenerator 60,
der an dem Verdichtergehäuse 50 angebracht
ist, und enthält eine
erste Elektrode 62 und eine zweite Elektrode 64, die
durch ein dielektrisches Material 63 getrennt sind. Das
dielektrische Material 63 ist innerhalb einer ringförmigen Nut 54 in
einer radial nach innen weisenden Oberfläche 53 des Gehäuses 50 angeordnet.
In einigen Gasturbinentriebwerksausführungen können einige der Stufen des
Verdichters 18 ringförmige
Auskleidungssegmente 51 aufweisen, die die Schaufelspitzen
umgeben. 8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform
unter Verwendung von Plasmaaktuatoren in Auskleidungssegmenten 51.
Wie in 8 gezeigt, weist jedes der Auskleidungssegmente 51 ein ringförmiges Nutsegment 56 mit
dem dielektrischen Material 63 auf, das in dem ringförmigen Nutsegment 56 angeordnet
ist. Diese ringförmige
Reihe von Nutsegmenten 56 mit dem dielektrischen Material 63, ersten
Elektroden 62 und den zweiten Elektroden 64, die
in den ringförmigen
Nutsegmenten 56 angeordnet sind, bildet den ringförmigen Plasmagenerator 60.
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Eine
Wechselstromenergiequelle 70 ist mit den Elektroden verbunden,
um an die Elektroden 62, 64 ein Hochspannungs-Wechselpotenzial
anzulegen. Wenn die Wechselspannungsamplitude groß genug
ist, wird die Luft in einem Bereich des größten elektrischen Potenzials
ionisiert, wobei sie ein Plasma 68 bildet. Das Plasma 68 beginnt
allgemein nahe bei einer Kante 65 der ersten Elektrode 62,
die der Luft ausgesetzt ist, und breitet sich über einen Bereich 104 aus,
der über
die zweite Elektrode 64 hinaus reicht, die von dem dielektrischen
Material 63 bedeckt ist. Das Plasma 68 (ionisier te
Luft) erzeugt in der Gegenwart eines elektrischen Feldgradienten eine
Kraft auf die Umgebungsluft, die radial innerhalb des Plasmas 68 angeordnet
ist, wodurch sie eine virtuelle aerodynamische Form erzeugt, die
eine Änderung
in der Druckverteilung über
der radial nach innen weisenden Oberfläche 53 des ringförmigen Gehäuses 50 oder
Auskleidungssegmentes 51 bewirkt. Die Luft nahe bei den
Elektroden ist schwach ionisiert, und gewöhnlich tritt eine geringe oder
gar keine Erhitzung der Luft auf.
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Während des
Triebwerksbetriebs schaltet das Plasmaaktuatorsystem 100 den
Plasmagenerator 60 ein, um das ringförmige Plasma 68 zwischen dem
ringförmigen
Gehäuse 50 und
den Schaufelspitzen 46 zu bilden. Eine elektronische Steuerung 72, die
mit einem Triebwerkssteuerungssystem 74 verbunden ist,
wie z. B. einem volldigitalen Triebwerksregler (FADEC für Full Authority
Digital Electronic Control), der die Bläserdrehzahlen, die Verdichter- und
Turbinendrehzahlen und das Brennstoffsystem des Triebwerks steuert,
kann zum Steuern des Plasmagenerators 60 durch das Ein-
und Ausschalten des Plasmagenerators 60 oder eine Modulation
desselben auf andere Weise, wie es erforderlich ist, verwendet werden,
um die Strömungsabrissreserve
zu erhöhen
oder die Effizienz des Verdichtungssystems zu steigern. Die elektronische
Steuerung 72 kann auch zum Steuern des Betriebs der Wechselstromenergiequelle 70 verwendet
werden, die mit den Elektroden verbunden ist, um ein Hochspannungs-Wechselpotenzial
an die Elektroden anzulegen.
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Im
Betrieb erzeugt das Plasmaaktuatorsystem 100, wenn es eingeschaltet
ist, einen Strom von Ionen, die das Plasma 68 bilden, und
eine Volumenkraft, die die Luft schiebt und die Druckverteilung nahe
bei der Laufschaufelspitze an der radial nach innen weisenden Oberfläche 53 des
ringförmigen
Gehäuses 50 verändert. Das
Plasma 68 überträgt ein positives
axiales Moment auf das Fluid in dem Schaufelspitzenbereich 52,
wo in konventionellen Verdichtern ein Wirbel 200 dazu neigt,
sich zu bilden, wie es zuvor beschrieben und in den 4a, 4b und 4c gezeigt
ist. Das von dem Plasma 68 ausgeübte positive axiale Moment
zwingt die Luft, in der gewünschten
Richtung der positiven Strömung
durch den Kanal zwischen benachbarten Schaufeln hindurch zu treten,
wodurch die in der 4c für konventionelle Triebwerke
gezeigte Art der Strömungsblockade
verhindert wird. Dies erhöht
die Strömungsabrissreserve
der Verdichterstufe und demnach des Verdichtungssystems. Plasmageneratoren 60,
wie sie z. B. in 5 gezeigt sind, können um
die Spitzen einiger ausgewählten
Verdichterstufen herum angeordnet sein, wo wahrscheinlich ein Strömungsabriss auftritt.
Alternativ können
Plasmageneratoren um die Spitzen aller Verdichtungsstufen herum
angeordnet sein und während
des Triebwerksbetriebs unter Verwendung des Triebwerkssteuerungssystems 74 oder der
elektronischen Steuerung 72 wahlweise aktiviert werden.
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Plasmageneratoren 60 können in
Axialrichtung an einer Vielzahl axialer Positionen bezogen auf die
Spitze der Laufschaufelvorderkante 41 angeordnet sein.
Sie können
axial stromaufwärts
von der Schaufelvorderkante (siehe z. B. 5) angeordnet sein.
Sie können
auch axial stromabwärts
von der Vorderkante 41 (siehe das in den 6 und 7 markierte
Bezugszeichen „S”) angeordnet
sein. Plasmageneratoren sind wirksam, wenn sie an axialen Positionen
von etwa 10% der Schaufelspitzensehnenlänge stromaufwärts von
der Vorderkante 41 bis etwa 50% der Schaufelspitzensehnenlänge stromabwärts der
Vorderkante 41 angeordnet sind. Sie sind am wirksamsten,
wenn sie direkt auf das zu dem Spitzenwirbel 200 gehörende Fluid
mit geringem Moment einwirken können,
wie es z. B. in 4a gezeigt ist. Es ist vorzuziehen,
den Plasmagenerator so anzuordnen, dass der Einfluss des Stroms
des Plasmas 68 bei etwa 10% der Schaufelspitzensehnenlänge beginnt,
wo erkannt wurde, dass der Wirbel sein Wachstum beginnt, wie es
in 4a gezeigt ist. Es ist vorteilhafter, die Plasmageneratoren
an Positionen von etwa 10% der Sehnenlänge hinter der Vorderkante 41 bis
bei etwa 50% der Sehnenlänge
anzuordnen.
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In
anderen beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mehrere Plasmaaktuatoren 101, 102 zu
haben, die an mehreren Stellen in dem Verdichtergehäuse 50 oder den
Auskleidungssegmenten 51 angeordnet sind. Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit mehreren Plasmaaktuatoren an mehreren
Stellen sind in den 6 und 7 gezeigt. 6 zeigt
schematisch einen ringförmigen
Vorderkantenplasmaaktuator 101, der nahe bei der Vorderkante 41 angeordnet
ist, und einen ringförmigen
Sehnenteilabschnittsplasmaaktuator 102, der nahe bei der
Sehnenmitte der Schaufelspitzen 46 angeordnet ist. In der
in 6 gezeigten beispielhaften Ausführungsform
bilden die Plasmaaktuatoren 101, 102 eine durchgehende
ringförmige
Schleife 103 innerhalb des Gehäuses 50. Die ersten
Elektroden 62 und die zweiten Elektroden 64 bilden
durchgehende Schleifen und sind in Axialrichtung durch Abstände A und
B getrennt angeordnet, die in Abhängigkeit von den Analysen der
Wirbelbildung unter Verwendung von CFD-Analysen ausgewählt sind,
wie sie z. B. in den 4a und 4b gezeigt
sind. Die Axialposition des Vorderkantenplasmaaktuators 101 von
der Schaufelvorderkantenspitzenposition („S”) und die Axialposition des
Sehnenteilabschnittsaktuators 102 von der Schaufelspitzenposition
(„H”) sind
ebenfalls in Abhängigkeit
von den CFD-Analysen
der Wirbelbildung an der Spitze gewählt. Es ist festgestellt worden,
dass es für
die hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen am besten ist,
den Vorderkantenplasmaaktuator 101 in Axialrichtung bei
etwa 10% der Rotorschaufelspitzensehnenlänge von der Schaufelvorderkantenspitze
(„S”) anzuordnen.
Der Sehnenteilabschnittsplasmaaktuator 102 kann in Axialrichtung
zwischen etwa 20% und 50% der Rotorschaufelspitzensehnenlänge von
der Schaufelvorderkantenspitze („H”) angeordnet sein. In einer
bevorzugten Ausführungsform
beträgt
der Wert für „S” etwa 10%
der Rotorschaufelspitzensehnenlänge, und
der Wert für „H” beträgt etwa
50% der Rotorschaufelspitzensehnenlänge.
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In
einer anderen, in 7 gezeigten beispielhaften Ausführungsform
sind diskrete Plasmaaktuatoren in Umfangsrichtung in dem Gehäuse 50 oder
den Auskleidungssegmenten 51 angeordnet. Die Anzahl der
diskreten Aktuatoren 105 und 106, die in einer
bestimmten Verdichtungsstufe benötigt
werden, ist von der Anzahl der Laufschaufeln abhängig, die in dieser Verdichtungsstufe
verwendet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Anzahl der
verwendeten diskreten Aktuatoren 105, 106 die gleiche
wie die Anzahl der Laufschaufeln in der Verdichtungsstufe,und der
Umfangsrichtungsabstand zwischen den Plasmaaktuatoren ist der gleiche
wie die Teilung der Schaufelreihe. Die Axialpositionen und die Abstände S, H,
A und B der Plasmaaktuatoren sind so ausgewählt, wie es zuvor hierin in
dem Fall ununterbrochener Plasmaaktuaoren erläutert worden ist. Die diskreten
Plasmaaktuatoren, wie sie z. B. in 7 gezeigt
sind, können
auch so angeordnet sein, dass das Plasma 68 unter einem
Winkel zu der Trieb werkszentralachse 8 geleitet wird. Dies kann
z. B. erreicht werden, indem die zweite Elektrode 64 eines
diskreten Plasmaaktuators bezogen auf die erste Elektrode 62 so
angeordnet ist, dass das erzeugte Plasma 68 unter einen
Winkel bezogen auf die Triebwerkszentralachse 8 gelenkt
wird. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es nützlich sein,
die Plasmaaktuatoren so auszurichten, dass sie eine Ausrichtung
der Strömung
nahe bei der Schaufelspitze 46 im Wesentlichen in der gleichen
auf den Rotor bezogene Richtung wie der Hauptkörper der Strömung durch
den Schaufelkanal fördern.
In einer beispielhaften Ausführungsform
wird dies durch ein Anordnen der zweiten Elektrode 64 des
Plasmaaktuators 60 axial stromabwärts von und in Umfangsrichtung
versetzt zu der ersten Elektrode 62 erreicht, so dass sie
im Wesentlichen entlang des gleichen Winkels wie die durchschnittliche,
auf den Rotor bezogene Strömungsrichtung
in einem ausgewählten
Betriebszustand liegen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung und ihrer hierin offenbarten
beispielhaften Ausführungsformen
können
die Plasmaaktuatoren auch so eingesetzt werden, dass sie die Verdichtungseffizienz
des Verdichters 18 verbessern. Fachleuten ist allgemein
bekannt, dass mit Leckströmungen über die
Spitzen 46 der Verdichterrotorschaufeln 40 ein
sehr hohes Maß an
Momentverlust und erhöhter
Entropie verbunden ist. Eine Verringerung derartiger Spitzenleckage
hilft beim Verringern der Verluste und Verbessern der Effizienz des
Verdichters. Außerdem
hilft es beim Verringern der Verluste und beim Verbessern der Verdichtereffizienz,
die Richtungen der Spitzenleckströmungen zu verändern und
zu bewirken, dass sie sich mit der Hauptfluidströmung in dem Verdichter unter
einem Winkel mischen, der näher
bei der Haupt strömungsrichtung
liegt. Plasmaaktuatoren, die an dem Verdichtergehäuse 50 oder
den Auskleidungssegmenten 51 angebracht sind und wie hierin
offenbart verwendet werden, erfüllen
diese Ziele der Verringerung der Schaufelspitzenleckströmungen und
deren Neuausrichtung. Um die Spitzenleckströmung zu verringern, ist der
Plasmaaktuator 60 nahe bei dem Punkt entlang der Sehne
der Schaufelspitze angeordnet, wo die maximale Druckdifferenz zwischen
dem statischen Druck der Schaufeldruckseite 43 und der Saugseite 44 besteht.
In den hierin gezeigten beispielhaften Ausführungsformen befindet sich
diese Stelle näherungsweise
bei etwa 10 der Sehnenlänge an
der Schaufelspitze. Die Lage des Punktes der maximalen statischen
Druckdifferenz an der Schaufelspitze kann unter Verwendung der CFD
bestimmt werden, wie es in der Industrie wohlbekannt ist. Wenn die Plasmaaktuatoren
eingeschaltet sind, haben sie eine dreifache Wirkung auf die Spitzenleckströmung. Wie in
der Anwendung zur Verbesserung der Strömungsabrissreserve übt das von
dem Plasmagenerator 60 erzeugte Plasma zuerst eine positive
axiale Volumenkraft auf die Spitzenleckströmung aus, wodurch sie zum Austritt
aus dem Rotorspitzenbereich 52 veranlasst wird, bevor eine
Blockade mit hohem Verlust erzeugt wird. Zweitens richtet der Plasmagenerator 60 die
Spitzenleckströmung
neu aus und bewirkt, dass sie sich mit der Hauptfluidströmung unter
einem günstigeren
Winkel zur Verringerung des Verlustes mischt. Es ist bekannt, dass
das Verlustniveau in Verdichtungssystemen eine Funktion des Winkels
zwischen den Strömungen
des sich vermischenden Fluids ist. Drittens verkleinert der Plasmagenerator 60 die
wirksame Strömungsfläche für die Spitzenleckströmung und
verringert dadurch den Leckdurchsatz. Das Betreiben der Plasmaaktuatoren 101, 102, 105, 106 an
dem Gehäuse 50 oder
den Auskleidungssegmenten 51 über den Verdichterrotorschaufelspitzen 46,
wie es in den 5, 6 und 7 gezeigt
ist, erzeugt eine Kraft, die die Luft in dem Spitzenbereich sowohl
in der axialen Richtung als auch von dem Rotorgehäuse 50 und
den Auskleidungssegmenten 51 weg schiebt. Die Wirkung des
Plasmas 68, das die Grenzschicht an dem Gehäuse 50 und
den Auskleidungssegmenten 51 nach unten in den Spitzenfreiraumbereich
schiebt, bewirkt, dass die Rotorschaufel 40 mit einer mit
einem engeren wirksamen Spitzenabstand CL (siehe 5)
läuft,
und verringert die wirksame Leckströmungsfläche. Dies ist besonders in
Axialstromverdichtern nützlich,
wo Fluid mit niedrigem Moment in dem Spitzenbereich gegen einen entgegen
gerichteten Druckgradienten arbeitet, wobei der statische Druck
ansteigt, wenn Luft sich durch den Axialverdichter fortbewegt. Bei
konventionellen Verdichtern arbeitet dieser entgegen gerichtete Druckgradient
gegen das Fluid mit niedrigem Moment in dem Spitzenwirbelbereich
und bewirkt, dass es in der entgegen gesetzten Richtung strömt, was zu
höheren
Verlusten/geringer Effizienz führt.
Die Plasmaaktuatoren, die wie hierin offenbart eingebaut sind und
verwendet werden, ermöglichen
die Verringerung dieser nachteiligen Auswirkungen der entgegen gerichteten
Druckgradienten an den Schaufelspitzen.
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Die
hierin offenbarte Plasmaaktuatorsysteme können so betrieben werden, dass
sie einen Anstieg der Strömungsabrissreserve
des Verdichtungssystems in dem Triebwerk durch ein Anheben der Strömungsabrisslinie
bewirken, wie es z. B. durch die erhöhte Strömungsabrisslinie 113 in 3 gezeigt ist.
Obwohl es möglich
ist, die Plasmaaktuatoren während
des Triebswerksbetriebs kontinuierlich zu betreiben, ist es nicht
notwendig, die Plasmaaktuatoren kontinuierlich zu betreiben, um
die Strömungsabrissreserve
zu verbessern. Unter normalen Betriebsbedingungen bestehen Schaufelspitzenwirbel
und kleine Bereiche umgekehrter Strömung 200 (siehe 4a)
noch in dem Rotorspitzenbereich 52. Zuerst ist es notwendig,
diejenigen Arbeitspunkte des Verdichters zu erkennen, wo der Verdichter
wahrscheinlich einen Strömungsabriss
erfährt.
Dies kann durch konventionelle Verfahren der Analyse und des Versuchs
geschehen, und die Ergebnisse können
in einem Kennlinienfeld wiedergegeben werden, wie es z. B. in 3 gezeigt
ist. Unter Bezug auf 3: Bei normalen Betriebspunkten
auf der Betriebslinie 116 sind die Strömungsabrissreserven bezogen
auf die Strömungsabrisslinie 112 z.
B. angemessen, und die Plasmaaktuatoren brauchen nicht eingeschaltet
zu werden. Wenn der Verdichter jedoch gedrosselt wird, wie z. B.
entlang der Linie 122 konstanter Drehzahl, sinkt die Axialgeschwindigkeit
der Luft in der Verdichterstufe über
der gesamten Schaufelspannweite von dem Schaufelfuß 45 bis
zu der Schaufelspitze 46, insbesondere in dem Spitzenbereich 52.
Der Abfall der Axialgeschwindigkeit in Verbindung mit einem höheren Drucksanstieg
in der Rotorschaufelspitze 46 verstärkt die Strömung über die Rotorschaufelspitzen und
die Stärke
des Spitzenwirbels, wodurch die Bedingungen für den Auftritt eines Strömungsabrisses erzeugt
werden. Wenn der Verdichterbetrieb sich Zuständen nähert, die typischerweise nahe
bei der Strömungsabrisslinie 112 liegen,
werden die Plasmaaktuatoren eingeschaltet. Das Steuerungssystem 74 und/oder
die elektronische Steuerung sind so eingestellt, dass die das Plasmaaktuatorsystem
rechtzeitig einschalten, bevor sich die Betriebspunkte der Strömungsabrisslinie 112 nähern, wo
der Verdichter wahrscheinlich einen Strömungsabriss erfährt. Es
ist vorzuziehen, die Plasmaaktuatoren frühzeitig einzuschalten, rechtzeitig
bevor die Strömungsabrisslinie erreicht
wird, weil dies die absolute Drosselgrenzkapazität steigert. Es be steht jedoch
keine Notwendigkeit, die zum Betreiben der Aktuatoren notwendige Energie
aufzuwenden, wenn der Verdichter unter gesunden stationären Bedingungen,
wie etwa auf der Betriebslinie 116, arbeitet.
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Statt
die Plasmaaktuatoren 101, 102, 104, 105 wie
oben beschreiben in einem kontinuierlichen Modus zu betreiben, können die
Plasmaaktuatoren alternativ auch in einem gepulsten Modus betrieben werden.
In dem gepulsten Modus werden einige oder alle der Plasmaaktuatoren 101, 102, 105, 106 mit
einigen vorbestimmten Frequenzen („pulsierend”) ein und
ausgeschaltet. Es ist bekannt, dass der Spitzenwirbel, der zu einem
Verdichterströmungsabriss führt, allgemein
einige Eigenfrequenzen aufweist, die im gewissen Maße den Ablösefrequenzen
eines in einer Strömung
angeordneten Zylinders ähnlich
sind. Bei einer gegebenen Rotorgeometrie können diese Eigenfrequenzen
analytisch berechnet oder bei Tests unter Verwendung instationärer Strömungssensoren gemessen
werden. Diese können
in die Bearbeitungsroutinen in einem FADEC oder anderen Triebwerkssteuerungssystemen 74 oder
einer elektronischen Steuerung 72 für die Plasmaaktuatoren einprogrammiert
sein. Danach können
die Plasmaaktuatoren 101, 102, 105, 106 durch
das Steuerungssystem bei ausgewählten
Frequenzen, die sich z. B. auf die Wirbelablösefrequenzen oder die Schaufeldurchgangsfrequenzen
der verschiedenen Verdichterstufen beziehen, schnell gepulst ein-
und ausgeschaltet werden. Alternativ können die Plasmaaktuatoren bei einer
Frequenz gepulst ein- und ausgeschaltet werden, die einem „Mehrfachen” einer
Wirbelablösefrequenz
oder einem „Mehrfachen” der Schaufeldurchgangsfrequenz
entspricht. Wenn hierin der Ausdruck „Mehrfaches” verwendet
wird, kann dies eine beliebige Zahl oder ein Bruch sein und Werte
aufweisen, die gleich eins, größer als
eins oder kleiner als eins sind. Das Pulsen des Plasmaaktuators
kann in Phase mit der Wirbelfrequenz vorgenommen werden. Alternativ kann
das Pulsen der Plasmaaktuatoren phasenversetzt unter einem ausgewählten Phasenwinkel
mit der Wirbelfrequenz erfolgen. Der Phasenwinkel kann zwischen
etwa 0 Grad und 180 Grad variieren. Es ist vorzuziehen, die Plasmaaktuatoren
um etwa 180 Grad phasenversetzt mit der Wirbelfrequenz zu pulsen,
um den Schaufelspitzenwirbel schnell aufzulösen, sobald er sich bildet.
Der Phasenwinkel und die Frequenz des Plasmaaktuators können in
Abhängigkeit
von Messwerten der Spitzenwirbelsignale unter Verwendung von Sonden
ausgewählt
werden, die nahe bei der Schaufelspitze angebracht sind. Es kann
ein beliebiges geeignetes Verfahren zur Messung der Schaufelspitzenwirbelsignale
unter Verwendung von Sonden angewandt werden, wie z. B. durch die
Verwendung dynamischer Druckwandler, die von Kulite Semiconductor
Products hergestellt sind.
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Während des
Triebwerksbetriebs schaltet das Schaufelspitzenfreiraum-Plasmasteuerungssystem 90 den
Plasmagenerator 60 ein, um das Plasma 68 zwischen
dem ringförmigen
Gehäuse 50 (oder den
Auskleidungssegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46 zu
erzeugen. Eine elektronische Steuerung 72 kann zum Steuern
des Plasmagenerators 60 verwendet werden und den Plasmagenerator 60 ein- und
ausschalten. Die elektronische Steuerung 72 kann auch zum
Steuern des Betriebs der Gleichstromenergiequelle 70 verwendet
werden, die an die Elektroden 62, 64 angeschlossen
ist, um ein Hochspannungswechselpotenzial an die Elektroden 62, 64 anzulegen.
Das Plasma 68 schiebt die Luft nahe bei der Oberfläche von
der radial nach innen weisenden Fläche 53 des ringförmigen Gehäuses 50 (oder der
Auskleidungssegmente 51) weg. Dies erzeugt einen wirksamen
Freiraum 48 zwischen dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder den Auskleidungssegmenten 51)
und den Schaufelspitzen 46, der kleiner ist als ein kalter
Abstand zwischen dem ringförmigen
Gehäuse 50 (oder
den Auskleidungssegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46.
Der kalte Abstand ist der Abstand, wenn das Triebwerk nicht läuft. Der
tatsächliche
oder Betriebsfreiraum zwischen dem ringförmigen Gehäuse 50 (oder den Auskleidungssegmenten 51)
und den Schaufelspitzen ändert
sich während des
Triebwerkbetriebs infolge der thermischen Ausdehnung und der Zentrifugalkraft.
Wenn der Plasmagenerator 60 eingeschaltet ist, ist der
wirksame Freiraum 48 (CL) zwischen der ringförmigen Gehäuseoberfläche 53 und
den Schaufelspitzen 46 (siehe 5) kleiner
als wenn der Aktuator ausgeschaltet ist.
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Der
kalte Abstand zwischen dem ringförmigen
Gehäuse 50 (oder
den Auskleidungssegmenten 51) und den Schaufelspitzen 46 ist
so bemessen, dass die Schaufelspitzen während des Triebwerksbetriebs
mit hoher Leistung, wie etwa während
des Starts, wenn sich die Schaufelscheibe und die Laufschaufeln
als Folge einer hohen Temperatur und hoher Zentrifugalbelastungen
ausdehnen, nicht an dem ringförmigen
Gehäuse 50 (oder
den Auskleidungssegmenten 51) reiben. Die hierin dargestellten
beispielhaften Ausführungsformen
der Plasmaaktuatorsysteme sind dazu ausgelegt und betreibbar, den
Plasmagenerator 60 zu aktivieren, um während der transienten Vorgänge im Triebwerk
das ringförmige
Plasma 68 zu erzeugen, wenn die Betriebslinie erhöht ist (siehe
Bezugszeichen 114 in 3), wo vergrößerte Strömungsabrissreserven
notwendig sind, um einen Verdichterströmungsabriss zu verhindern,
oder bei Flugzuständen,
bei denen die Abstände 48 gesteuert werden
müssen,
wie z. B. einem Reiseflugzustand des Flugzeugs, das durch das Triebwerk
angetrieben wird. Weitere Ausführungsformen
des hierin dargestellten beispielhaften Plasmaaktuatorsystems können in
anderen Arten von Gasturbinenanlagen, wie etwa Schiffs- oder vielleicht
Industriegasturbinenanlagen verwendet werden.
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In
einer Ausführung
mit segmentierter Auskleidung 51 umgeben die segmentierten
Auskleidungen 51 Verdichterschaufein 40 und helfen
bei der Verringerung der Strömung
durch Leckage um die radial äußeren Schaufelspitzen 46 der
Verdichterlaufschaufeln 40 herum. Ein Plasmagenerator 60 ist
radial außerhalb
der Schaufelspitzen 46 beabstandet und von diesen getrennt
angeordnet. Bei dieser Anwendung an segmentierten Auskleidungen 51 ist
der ringförmige
Plasmagenerator 60 mit einer segmentierten ringförmigen Nut 56 und
einem segmentierten dielektrischen Material 63, das in
der segmentierten ringförmigen
Nut 56 angeordnet ist, segmentiert ausbildet. Jedes Segment
der Auskleidung weist ein Segment der ringförmigen Nut, ein Segment des
dielektrischen Materials, das in dem Segment der ringförmigen Nut
angeordnet ist, und eine erste und eine zweite Elektrode auf, die
durch das Segment des dielektrischen Materials getrennt sind, das
in dem Segment der ringförmigen
Nut angeordnet ist.
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Eine
AC (Wechselstrom)-Versorgung 70 wird zum Anlegen eines
Hochspannungs-Wechselpotenzials in einem Bereich von etwa 3 bis
20 KV (Kilovolt) an die Elektroden verwendet (AC steht für alternating current
bzw. Wechselstrom). Wenn die AC-Amplitude groß genug ist, wird die Luft
in einem Bereich des größten elektrischen
Potenzials ionisiert, wodurch ein Plasma 68 gebildet wird.
Das Plasma beginnt allgemein an den Kanten der ersten Elektroden
und weitet sich über
einem Bereich auf, der über
den zweiten Elektroden hervorsteht, die von dem dielektrischen Material
bedeckt sind. Das Plasma 68 (ionisierte Luft) erzeugt in
der Gegenwart eines elektrischen Feldgradienten eine Kraft auf die
Umgebungsluft, die radial innerhalb des Plasmas 68 angeordnet ist,
und erzeugt eine virtuelle aerodynamische Form, die eine Veränderung
der Druckverteilung über
der radial nach innen weisenden Oberfläche 53 des ringförmigen Gehäuses 50 (oder
der Auskleidungssegmente 51) bewirkt. Die Luft nahe bei
den Elektroden ist schwach ionisiert, und es gibt dort nur eine
geringe oder gar keine Erhitzung der Luft.
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Das
Plasmasteuerungssystem für
den wirksamen Schaufelspitzenabstand kann auch in beliebigen Verdichtungsabschnitten
des Triebwerks, wie etwa dem Booster 16, einem Niederdruckverdichter (LPD),
einem Hochdruckverdichter (HPC) 18 und/oder dem Bläser 12 verwendet
werden, die ähnliche
Gehäuse
oder Auskleidungen sowie Rotorschaufelspitzen aufweisen.
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Diese
schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der
Erfindung, die die beste Art enthalten, und ermöglich auch jeder Person mit Fachkenntnissen,
die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Der patentierbare Bereich
der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele
umfassen, die Fachleuten einfallen. Es ist beabsichtigt, dass derartige
weitere Beispiele innerhalb des Bereichs der Ansprüche liegen,
wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die nicht von dem Wortlaut
der Ansprüche
abweichen, oder wenn sie äquivalente
strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem
Wortlaut der Ansprüche
enthalten.
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Zusammenfassung
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Ein
Gasturbinentriebwerk ist offenbart, das einen Verdichter mit einer
umlaufenden Reihe von Laufschaufeln, ein die Spitzen der Schaufeln
umgebendes Gehäuse,
das von den Spitzen der Schaufeln radial getrennt angeordnet ist,
und wenigstens einen Plasmagenerator, der an dem Gehäuse angeordnet ist,
aufweist. Der Plasmagenerator weist eine erste Elektrode und eine
zweite Elektrode auf, die durch ein dielektrisches Material getrennt
sind. Das Gasturbinentriebwerk enthält weiterhin ein Triebwerkssteuerungssystem,
dass den Betreib des Plasmagenerators so steuert, dass der Bereich
des stabilen Betriebs des Verdichters vergrößert wird.