DE60133629T2

DE60133629T2 - Verfahren zum betrieb einer gasturbine mit verstellbaren leitschaufeln

Info

Publication number: DE60133629T2
Application number: DE60133629T
Authority: DE
Inventors: Richard James Flatman; Christopher Freeman
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2021-01-30
Also published as: EP1122407A2; WO2001057380A1; EP1252424B1; EP1122407A3; US20010010798A1; US20050244265A1; ES2300341T3; US6701717B2; EP1122407B1; DE60112824T2; EP1252424A1; US20030033813A1; US6910855B2; DE60112824D1; US7234917B2; DE60133629D1; GB0002257D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Flugzeug-Gasturbinentriebwerke mit variablem Zyklus.
Flugzeug-Gasturbinentriebwerke mit hoher Leistungsfähigkeit erfordern ein hohes Gesamtdruckverhältnis über den Kompressoren, um den Brennstoffverbrauch zu vermindern. Ein typisches Gesamtdruckverhältnis für ein derartiges Triebwerk kann größer als 40:1 sein, und dies führt dazu, dass Kompressoren mit einer hohen Anzahl von Stufen und hohem Druckverhältnis über jeder Stufe benötigt werden. Die Kompressoren werden im Hinblick auf ihre höchste Leistung bei hohen Drehzahlen ausgelegt, aber dies kann zu Schwierigkeiten bei geringeren Drehzahlen führen.
Wenn die Betriebsbedingungen, die einer Kompressorlaufschaufel auferlegt werden, zu weit von den Konstruktionsplänen abweichen, kann ein Abbrechen der Luftströmung und/oder eine aerodynamisch induzierte Vibration auftreten. Wenn das Triebwerk einen Druckanstieg vom Kompressor fordert, der höher ist als der Kompressor verkraften kann, dann tritt ein „Pumpen" auf. Dies bedingt einen augenblicklichen Zusammenbruch der Strömung durch das Triebwerk und das Austreiben von Hochdruckluft aus dem Verbrennungssystem nach vorn durch den Kompressor. Dies erzeugt einen lauten „Knall" und führt zu einem Verlust des Schubs des Triebwerks.
Die Kompressoren sind mit einer geeigneten Begrenzung versehen, um zu gewährleisten, dass der unstabile Bereich, in dem ein Pumpen auftreten kann, vermieden wird. Die Grenze zwischen dem unstabilen Bereich und der Arbeitslinie des jeweiligen Kompressors wird als Pumpgrenzenabstand bezeichnet.
Bei Kompressoren, die für eine hohe Leistung bei hoher Drehzahl ausgelegt sind, kann der Pumpgrenzenabstand bei geringen Drehzahlen zu niedrig sein. Um dieses Problem des niedrigen Pumpgrenzenabstandes zu lösen, können verschiedene Einstellungen am Kompressor bei derart niedrigen Drehzahlen vorgenommen werden, wie dies im Folgenden beschrieben wird.
Ein Verfahren zur Verbesserung des Pumpgrenzenabstandes bei niedrigen Drehzahlen besteht darin, eine Luftströmungssteuerung in die Kompressorkonstruktion einzuführen. Dies kann in Form von variablen Einlassleitschaufeln für die erste Stufe und variablen Leitschaufeln für die folgenden Stufen geschehen. Wenn die Kompressordrehzahl gegenüber dem Nennwert vermindert wird, dann werden diese Leitschaufeln progressiv geschlossen, um einen annehmbaren Luftwinkel nach den folgenden Rotorschaufeln aufrecht zu erhalten. Stattdessen oder zusätzlich kann Luft vom Kompressor abgezweigt werden, um dessen Druckverhältnis zu verringern. Dies führt zu einer Erhöhung des Pumpgrenzenabstandes auf einen annehmbaren Wert. Jedoch hat dies einen ungünstigen Einfluss auf den Brennstoffverbrauch.
Andere bekannte Möglichkeiten, einen annehmbaren Pumpgrenzenabstand zu erreichen, umfassen die Benutzung zusätzlicher Kompressorstufen, um das Druckverhältnis über jeder Stufe zu vermindern, oder es werden Kompressoren mit geringerer Leistung benutzt. Die erstgenannte Lösung ist sehr teuer, und die letztgenannte Lösung führt zu einem erhöhten Brennstoffverbrauch.
Die EP 0,247,984 beschreibt eine Gasturbinenanordnung mit einem geschlossenen Zyklus, bei der im Normalbetrieb die Hochdruckwelle (Ausgang) mit einer festen mechanischen Drehzahl umläuft. Wenn der Generator mit dem Netz außer Tritt fällt, muss eine Überdrehzahl der Hochdruckturbine vermieden werden, indem die Leitschaufeln unmittelbar stromauf der Niederdruckturbine eingestellt werden, um die Niederdruckturbine abzudrosseln und ihren Druckabfall zu erhöhen. Dies vermindert die Arbeit an der Hochdruckwelle, um eine solche Überdrehzahl zu verhindern. Der Leistungsausgang der Niederdruckturbine bleibt im Wesentlichen unverändert. Dieses System ist lediglich zur Verhinderung einer Überdrehzahl geeignet und verbessert nicht die Leistungsfähigkeit oder den Betrieb des Triebwerks.
Die US 3,751,909 beschreibt ein Mehrwellen-Gasturbinentriebwerk mit einer Mehrzahl von Kompressoren und Turbinen. Die Luft wird von einem oder mehreren Kompressoren im Triebwerk abgezapft, um Bauteile des Triebwerks zu kühlen und um eine Abdichtung zwischen den drehenden und stationären Einheiten der verschiedenen Rotorsysteme herzustellen, wobei eine Nebenstromleitung zusätzlich zur Luftströmungssteuerung des Hochdruckkompressors (HPC) vorgesehen ist. Diese Luftströmungssteuerung wird beim Hochlauf vom Start auf Leerlaufdrehzahl benutzt, um Pumpbedingungen im Hochdruckkompressor zu vermeiden. Die Nebenstromleitung schafft eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass des Hochdruckkompressors und (stromab der Niederdruckturbine) den Auslassleitschaufeln. Diese Anordnung bewirkt jedoch keine Steuerung der Kapazität der Zwischendruckturbine (IPT) und teilt daher nicht die Arbeit zwischen dem Zwischendruckkompressor und dem Hochdruckkompressor auf.
Die GB 710,324 beschreibt ein Einwellentriebwerk mit einer Ausgleichsleitung, die eine Zwischenstufe des einzigen Kompressors mit der Turbine oder dem Auslass verbindet. Diese Anordnung bewirkt einen Ausgleich des Kompressorspeisedruckes mit dem Turbineneinlassdruck bei voller Leistung. Jedoch ist bei jedem gegebenen Leistungsbedarf des Triebwerks keine Aufteilung des Leistungsausgangsbedarfs zwischen der Zwischendruckwelle und der Hochdruckwelle vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks mit variablem Zyklus, wobei das Triebwerk erste und zweite Kompressoren, eine Verbrennungseinrichtung und erste und zweite Turbinen aufweist, die die ersten bzw. zweiten Kompressoren über Verbindungswellen antreiben, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Kapazität der zweiten Turbine zu ändern, und wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt, mit welchem bei einem gegebenen Triebwerksleistungsbedarf die Kapazität der zweiten Turbine geändert wird, um entsprechend die Kapazität der ersten Turbine zu ändern, wodurch ein Pumpen des zweiten Kompressors verhindert wird.
Wenn das Triebwerk mit geringerer Leistung arbeitet, dann wird die Kapazität der Turbine mit variabler Kapazität erhöht, wodurch das Druckverhältnis über der Turbine mit variabler Kapazität vermindert und das Druckverhältnis über dem Kompressor, der sie antreibt, vermindert wird. Wenn das Druckverhältnis über der Turbine mit variabler Kapazität vermindert wird, dann erhöht sich das Druckverhältnis über einer Turbine stromab hiervon, wodurch das Druckverhältnis über einem hierdurch angetriebenen Kompressor erhöht wird.
Vorzugsweise arbeitet die erste Turbine mit einem höheren Druck als die zweite Turbine, und der erste Kompressor arbeitet mit einem höheren Druck als der zweite Kompressor, gekennzeichnet durch die Anordnung von Mitteln, wodurch die Kapazität der zweiten Turbine verändert wird.
Wahlweise umfasst das Triebwerk eine dritte Turbine, die einen dritten Kompressor oder einen Fan antreibt, und die dritte Turbine und der Kompressor oder der Fan arbeiten mit einem niedrigeren Druck als die erste und zweite Turbine und die Kompressoren.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine Mittel zur Verminderung des Druckverhältnisses über der Turbine, um das Druckverhältnis über dem Kompressor zu vermindern, der diese Turbine antreibt.
Stattdessen umfassen die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine Mittel zur Veränderung der Arbeit, die durch die Turbine geleistet wird und zur Änderung des Drehmomentes, das von der Turbine auf die Welle ausgeübt wird, die die Turbine mit dem Kompressor verbindet, den sie antreibt.
Vorzugsweise umfasst das Triebwerk Mittel zum Abzapfen von Luft von einem oder mehreren der Kompressoren und zum Zuführen dieser Luft in einen Bereich stromab und in Fluidverbindung mit der zweiten Turbine, wodurch die Kapazität der zweiten Turbine verändert wird.
Vorzugsweise ist eine Leitschaufel stromab der zweiten Turbine hohl ausgebildet und weist mehrere durch eine Wand der Leitschaufel gehende Öffnungen auf, und es sind Mittel vorgesehen, um Luft in das Innere der Leitschaufel zu überführen, damit die Luft durch die Öffnungen nach einem Bereich stromab der zweiten Turbine ausgeblasen werden kann.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine ein Rohr mit einem Steuerventil.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine eine am Gehäuse der Turbine angeordnete Verteilerleitung.
Stattdessen umfassen die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine eine Leitschaufelanordnung, durch die Luft einem Turbinenrotoraufbau der Turbine zugeführt wird, und die Leitschaufelanordnung umfasst eine ringförmige Anordnung von im Wesentlichen radial vorstehenden Leitschaufeln, die in Umfangsrichtung im Abstand derart angeordnet sind, dass sie eine Einschnürungsfläche dazwischen bilden, wobei die Leitschaufeln einstellbar sind, um die Einschnürung zwischen benachbarten Leitschaufeln zu verändern.
Vorzugsweise sind die Leitschaufeln kontinuierlich derart einstellbar, dass die Einschnürungsflächen kontinuierlich zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert veränderbar sind.
Vorzugsweise können die Leitschaufeln so eingestellt werden, dass der Winkel der durch die Einschnürungsflächen strömenden Luft geändert wird, um auf den Turbinenrotoraufbau aufzutreffen.
Vorzugsweise ist jede Leitschaufel um eine Achse schwenkbar, die sich allgemein in Radialrichtung der Leitschaufel erstreckt.
Stattdessen umfasst jede Leitschaufel einen im Wesentlichen festen Teil und einen beweglichen Teil, und der bewegliche Teil ist relativ zu dem festen Teil verschwenkbar, um die Einschnürungsfläche zwischen benachbarten Leitschaufeln zu verändern. Der bewegliche Teil einer jeden Leitschaufel ist um eine Achse schwenkbar, die sich allgemein in Radialrichtung der Schaufel erstreckt.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist ein schematischer Schnitt der oberen Hälfte eines Gasturbinentriebwerks;
2 ist eine graphische Darstellung des Druckverhältnisses in Abhängigkeit von der Luftströmung bei einem Kompressor eines Gasturbinentriebwerks;
3 ist eine schematische perspektivische Teildarstellung bekannter variabler Leitschaufeln zur Benutzung bei einem Kompressor eines Gasturbinentriebwerks;
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Turbine und einer Wellenanordnung eines Gasturbinentriebwerks;
5 ist eine schematische Ansicht veränderbarer Düsenleitschaufeln gemäß der Erfindung;
6 ist eine schematische Darstellung von abgewandelten veränderbaren Düsenleitschaufeln gemäß der Erfindung;
die 7A und 7B sind graphische Darstellungen des Druckverhältnisses in Abhängigkeit von der nicht dimensionalen Strömung für den Zwischendruckkompressor bzw. den Hochdruckkompressor eines Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung;
8 ist eine schematische Schnittansicht eines Gasturbinentriebwerks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
9 ist eine schematische Teilansicht des Gasturbinentriebwerks gemäß 8.
In 1 ist ein Gasturbinentriebwerk allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Dieses Triebwerk umfasst in axialer Strömungsrichtung einen Lufteinlass 12, einen Schubfan 14, einen Zwischendruckkompressor 16, einen Hochdruckkompressor 18, eine Verbrennungseinrichtung 20 und eine Turbinenanordnung mit einer Hochdruckturbine 22, einer Zwischendruckturbine 24 und einer Niederdruckturbine 26, an die eine Auslassschubdüse 28 anschließt.
Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in üblicher Weise derart, dass die in den Einlass 12 eintretende Luft durch den Fan 14 beschleunigt wird, um zwei getrennte Luftströmungen zu erzeugen: eine erste Luftströmung verläuft in den Zwischendruckkompressor 16, und eine zweite Luftströmung liefert einen Antriebsschub. Der Zwischendruckkompressor 16 komprimiert die eingeleitete Luftströmung, bevor diese Luft an den Hochdruckkompressor 18 abgegeben wird, wo eine weitere Kompression stattfindet.
Die komprimierte vom Hochdruckkompressor 18 abgegebene Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 20 geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt und wo das Gemisch verbrannt wird. Die sich ergebenden heißen Verbrennungsprodukte expandieren dann durch die Hochdruckturbine 22, die Zwischendruckturbine 24 bzw. die Niederdruckturbine 26 und treiben diese an. Die Luft wird schließlich durch die Schubdüse 28 ausgeblasen, um einen zusätzlichen Antriebsschub zu erzeugen. Die Hochdruckturbine 22, die Zwischendruckturbine 24 und die Niederdruckturbine 26 treiben den Hochdruckkompressor 18, den Zwischendruckkompressor 16 und den Fan 14 über geeignete Verbindungswellen an.
Damit das Gasturbinentriebwerk mit hoher Leistung arbeiten kann, ist es notwendig, dass das Gesamtdruckverhältnis (d. h. das Verhältnis des Druckes am Auslass des Kompressors zum Druck am Einlass des Kompressors) relativ hoch ist. Bei modernen Hochleistungstriebwerken kann das Druckverhältnis mehr als 40:1 betragen. Infolge dieses hohen Druckverhältnisses ist es notwendig, die Kompressoren mit einer Vielzahl von Stufen auszurüsten und ein hohes Druckverhältnis über jeder Stufe vorzusehen.
Die Kompressoren werden im Allgemeinen im Hinblick auf ihre höchste Leistung bei hohen Drehzahlen ausgelegt. Dies kann jedoch zu Schwierigkeiten bei niedrigen Drehzahlen führen. Wenn die Betriebsbedingungen, denen die Kompressorlaufschaufeln ausgesetzt werden, zu weit von den Konstruktionsbedingungen abweichen, kann die Luftströmung abbrechen und/oder es kann eine aerodynamisch induzierte Vibration auftreten. Diese Phänomene können in einer von zwei Formen auftreten: erstens können die Schaufeln abdrosseln, weil der Einfallswinkel der Luft relativ zur Laufschaufel zu hoch oder zu niedrig ist. Zweitens kann, wenn das Triebwerk einen Druck vom Kompressor fordert, der höher ist, als die Kompressorbeschaufelung verkraften kann, ein „Pumpen" auftreten. In diesem Fall erfolgt ein augenblickliches Abreißen der Strömung durch das Triebwerk, und die Hochdruckluft im Verbrennungssystem wird nach vorn durch den Kompressor geschleudert, was einen lauten „Knall" bedingt und zu einem resultierenden Verlust des Triebwerksschubs führt.
2 ist eine graphische Darstellung, die die Grenzwerte der stabilen Luftströmung durch den Kompressor veranschaulicht. Wenn der Kompressor im unstabilen Bereich über der Pumplinie arbeitet, kann die Luftströmung abbrechen, und es kann ein Pumpen auftreten. Der Kompressor wird daher in der Weise betrieben, dass sein Druckverhältnis und die Luftströmung auf einer Arbeitslinie verbleiben, die von der Pumplinie durch einen Sicherheitsbereich getrennt ist, der als Pumpgrenzenabstand bezeichnet wird.
Wenn Hochdruckverhältnisse auf einer einzigen Welle erforderlich sind, wird es notwendig, eine Luftströmungssteuerung in die Kompressorkonstruktion einzubauen, um zu gewährleisten, dass der Pumpgrenzenabstand immer genügend groß ist. Wie aus 3 ersichtlich, kann jede Stufe des Kompressors mit einstellbaren Leitschaufeln 30 versehen sein, die um ihre Achsen schwenkbar sind. Wenn die Kompressordrehzahl gegenüber ihrem Nennwert vermindert wird, dann werden die Leitschaufeln progressiv geschlossen, um einen annehmbaren Luftwinkel in die folgenden Rotorlaufschaufeln hinein aufrecht zu erhalten. Dies verhindert das Auftreten eines Pumpvorganges, aber die Ausbildung ist relativ komplex und kostspielig.
Die Schwierigkeiten, die bei der Aufrechterhaltung eines geeigneten Pumpgrenzenabstandes auftreten, sind insbesondere bei dem Zwischendruckkompressor des in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerks akut.
Die Erfindung ermöglicht es, den Pumpgrenzenabstand des Zwischendruckkompressors durch Veränderung der Kapazität der Zwischendruckturbine einzustellen. Die Turbinenkapazität wird definiert als:
4 veranschaulicht eine bekannte Dreifachturbine mit einer Wellenanordnung und einer Hochdruckturbine 22, einer Zwischendruckturbine 24 bzw. einer Niederdruckturbine 26. In 4 sind die Hochdruckturbine 22 und die Zwischendruckturbine 24 jeweils einstufige Turbinen, und die Niederdruckturbine 26 ist eine zweitstufige Turbine. Jedoch kann auch jede der Turbinen aus mehreren Stufen aufgebaut sein.
Unmittelbar stromauf der Zwischendruckturbine 24 und benachbart hierzu sind die Leitschaufeln in Form einer ringförmigen Anordnung radial verlaufender Düsenleitschaufeln 32 vorgesehen. Jede Stufe der Niederdruckturbine 26 umfasst außerdem eine Anordnung von Düsenleitschaufeln 33, und die Hochdruckturbine umfasst eine Anordnung von Düsenleitschaufeln 35.
Die Düsenleitschaufeln richten die vom Verbrennungssystem abgegebenen Heißgase auf die Turbinen, und die Heißgase treiben dadurch die Turbinen an, wodurch der Druck der Heißgase abnimmt.
Gemäß 5 umfasst eine Düsenleitschaufel 32 der Zwischendruckturbine einen ersten festen Teil 34 und einen beweglichen Nachlaufkantenteil 36. 6 veranschaulicht eine abgewandelte Düsenleitschaufel 32, die um einen festen zentralen Punkt 38 schwenkbar ist. Jede der beiden Düsenleitschaufeln 32 gemäß 5 und 6 kann so eingestellt werden, dass sie sich zwischen den voll ausgezogenen Linien und den Stellungen bewegt, die strichliert angedeutet sind. Die Leitschaufeln 32 sind kontinuierlich derart einstellbar, dass sie in jeder Stellung zwischen den beiden dargestellten Extremwerten eingestellt werden können.
Es ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die Düsenleitschaufeln 32 in den in vollen Linien dargestellten Stellungen befinden, die Düseneinschnürungsfläche 40a, durch die die Luft die Düsenleitschaufeln verlässt, um auf den Turbinenlaufschaufeln aufzutreffen, relativ klein ist. Im Gegensatz dazu ist die Düseneinschnürungsfläche 40b größer, wenn sich die Düsenleitschaufeln 32 in den durch die strichlierten Linien angegebenen Stellungen befinden.
Wenn das Triebwerk mit niedriger Drehzahl umläuft, dann können die Düsenleitschaufeln 32 aus den voll ausgezeichnet dargestellten Stellungen in die Stellungen bewegt werden, die strichliert dargestellt sind. Dies vergrößert die Düseneinschnürungsfläche 40 und erhöht die Kapazität der Zwischendruckturbine stromab der Düsenleitschaufeln. Das Druckverhältnis über der Zwischendruckturbine vermindert sich, und die Drehzahl der Turbine vermindert sich etwas, und die Turbine liefert eine sehr viel geringere Leistung und ein sehr viel geringeres Drehmoment.
Wenn dies geschieht, vermindert sich die Drehzahl der Welle, die die Zwischendruckturbine mit dem Zwischendruckkompressor verbindet, und das durch diese Welle übertragene Drehmoment vermindert sich. Dies führt dazu, dass der Zwischendruckkompressor herunter gefahren und ein vermindertes Druckverhältnis darüber gebildet wird. Die Verminderung des Druckverhältnisses führt dazu, dass der Zwischendruckkompressor weiter von der Pumplinie entfernt arbeitet.
Die 7A und 7B veranschaulichen die Wirkungen der Erfindung auf die Arbeitsweise des Triebwerks. 7A ist eine graphische Darstellung des Druckverhältnisses des Zwischendruckkompressors in Abhängigkeit von der quasi-dimensionslosen Strömung durch den Kompressor, und 7B ist eine ähnliche graphische Darstellung für den Hochdruckkompressor.
Wenn das Triebwerk mit hoher Leistung arbeitet, dann arbeitet der Zwischendruckkompressor an einem Punkt A der graphischen Darstellung, und der Hochdruckkompressor arbeitet an dem Punkt B. In jedem Fall ergibt sich ein deutlicher Pumpgrenzenabstand (42a in 7A) zwischen dem Arbeitspunkt und der Pumplinie 44.
Wenn das Triebwerk auf niedrige Leistung gedrosselt wird, dann tendiert der Zwischendruckkompressor zu einem Arbeiten am Punkt C der graphischen Darstellung, und der Hochdruckkompressor tendiert dazu, an einem Punkt D zu arbeiten. Bei einem herkömmlichen Triebwerk mit hohem Druckverhältnis ist es gewöhnlich nicht akzeptabel, an einem Punkt C zu arbeiten, da der Pumpgrenzenabstand 42b zu niedrig wird. Bei den in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen wird bei niedriger Leistung die Kapazität der Zwischendruckturbine geändert durch Änderung der Einschnürungsfläche 40 der Zwischendruck-Düsenleitschaufel. Wenn die Einschnürungsfläche 40 vergrößert wird, dann wird das Druckverhältnis über der Zwischendruckturbine vermindert. Die durch die Turbine strömende Luft liefert eine geringere Arbeit, und das auf die Welle ausgeübte Drehmoment fällt ab. Die Leistung kann um etwa 38% absinken, und das Drehmoment kann sich um etwa 32% verringern, und die Drehzahl kann um etwa 9% abfallen. Die Zwischendruckturbine liefert ein geringeres Drehmoment über die Verbindungswelle an den Zwischendruckkompressor, und die Drehzahl der Welle fällt ab. Weil die den Zwischendruckkompressor antreibende Welle ein kleineres Drehmoment ausübt und sich verlangsamt, wird das Druckverhältnis über dem Zwischendruckkompressor verringert. Der Zwischendruckkompressor arbeitet demgemäß am Punkt C'' in 7A. Dies verbessert den Pumpgrenzenabstand und schafft die Möglichkeit, dass der Zwischendruckkompressor an einem Punkt arbeiten kann, der selbst bei niedriger Leistung in einem günstigen Abstand von dem unstabilen Bereich liegt.
Die Verminderung des Druckverhältnisses über der Zwischendruckturbine führt zu einem Abfall des Drucks auf der stromaufwärtigen Seite der Zwischendruckturbine. Dies führt zu einem Ansteigen des Druckverhältnisses über der benachbarten Hochdruckturbine. Die Hochdruckturbine läuft daher auf einer höheren Drehzahl hoch und ist in der Lage, mehr Drehmoment über die Welle auf den Hochdruckkompressor zu übertragen. Der Hochdruckkompressor läuft ebenfalls hoch, und es wird darüber ein erhöhtes Druckverhältnis erzeugt. Gemäß 7A bewegt sich der Arbeitspunkt des Hochdruckkompressors von D nach D''. Der Punkt D'' liegt immer noch weit entfernt von der Pumplinie 44 des Hochdruckkompressors. Die Veränderung der Kapazität der Zwischendruckturbine verschiebt daher die Arbeit vom Zwischendruckkompressor auf den Hochdruckkompressor. Der Hochdruckkompressor arbeitet selbst unter Bedingungen mit geringer Leistung weit entfernt von der Pumplinie, und er ist daher in der Lage, Mehrarbeit zu leisten und selbst bei niedriger Leistung ein erhöhtes Druckverhältnis aufrecht zu erhalten.
Weil die Leitschaufeln 32 voll einstellbar sind, kann die Arbeit, die vom Zwischendruckkompressor auf den Hochdruckkompressor übertragen wird, sehr genau gesteuert werden.
Ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 8 und 9 dargestellt.
8 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Gasturbinentriebwerks 10, das einen Zwischendruckkompressor 16, einen Hochdruckkompressor 18, eine Verbrennungseinrichtung 20 und eine Hochdruckturbine 22, eine Zwischendruckturbine 24 und eine Niederdruckturbine 26 aufweist. Die Hochdruckturbine 22 treibt den Hochdruckkompressor 18 über eine Welle 50 an, die Zwischendruckturbine 24 treibt den Zwischendruckkompressor 16 über eine Welle 52 an, und die Niederdruckturbine 26 treibt den Niederdruckkompressor (nicht dargestellt) über eine Welle 54 an.
Um die Kapazität der Zwischendruckturbine 24 zu vermindern, wird Luft aus einer mittleren Stufe des Hochdruckkompressors 18 oder vom Ausgang des Zwischendruckkompressors 16 abgezweigt und einem stromabwärtigen Bereich der Zwischendruckturbine zugeführt. Die Luft wird über ein Rohr 56 und ein Steuerventil 58 nach einer Leitung 60 am Turbinengehäuse geleitet.
Gemäß 9 kann Luft aus der Leitung 60 wieder in das äußere Gehäuse der Zwischendruckturbine in einen stromabwärtigen Bereich hiervon eingeführt werden.
Stattdessen kann die Luft in hohle Düsenleitschaufeln 62 eingeführt werden, die einen Teil einer ersten Stufe der Niederdruckturbine 26 bilden. Die hohlen Düsenleitschaufeln 62 sind mit Löchern 64 versehen, die in ihre äußeren Wände eingebohrt sind, derart, dass die eingeführte Luft dadurch in einen Bereich stromab der Zwischendruckturbine 24 ausgeblasen wird.
Das Ausblasen der unter relativ hohem Druck stehenden Luft nach der stromabwärtigen Seite der Zwischendruckturbine vermindert das darüber liegende Druckverhältnis und führt zu einer verminderten Leistung, einem verminderten Drehmoment und einer verringerten Drehzahl der Turbine in der gleichen Weise, wie dies oben unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele gemäß 5 und 6 beschrieben wurde. Die Wirkung auf den Zwischendruckkompressor und den Hochdruckkompressor ist äquivalent.
Die Abzapfstellen können so gewählt werden, dass sich der günstigste Durchführungseffekt für jede Anwendung ergibt. Die Luft kann nicht nur vom Hochdruckkompressor, sondern auch vom Zwischendruckkompressor entweder an einer mittleren Stufe oder an seinem Ausgang abgezweigt werden.
Andere Abzapfpunkte und Wiedereinblaspunkte können in der Ringwand vor dem Rotor der Zwischendruckturbine oder stromab des Rotors vorgesehen sein. In diesem Fall sollten die Einblasschlitze so schmal als möglich unter einem möglichst kleinen Winkel gegenüber dem Strömungspfad angeordnet und mit einem geeigneten Verwirbelungswinkel angeordnet sein.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele schaffen daher ein Gasturbinentriebwerk, bei dem die Kapazität der Zwischendruckturbine geändert werden kann. Dies ermöglicht die Erzeugung einer Arbeitslinie eines wirksamen Zwischendruckkompressors, die sehr viel steiler verläuft als es die normale Konstruktionspraxis ermöglichen würde, und es wird selbst bei niedrigen Drehzahlen ein adäquater Pumpgrenzenabstand aufrecht erhalten. Dies schafft die Möglichkeit, dass der Zwischendruckkompressor mit weniger Stufen und auch ohne variable Leitschaufeln ausgebildet werden kann. Der Kompressor benötigt einen niedrigeren Pumpgrenzenabstand und besitzt eine höhere Leistungsfähigkeit. Die Erfindung schafft auch die Möglichkeit, die Zahl der Abzapfventile innerhalb des Kompressors zu vermindern, wodurch der Wirkungsgrad verbessert und der Lärm vermindert wird. Der Hochdruckkompressor kann für eine höhere Stufenbelastung ausgelegt werden, weil die Arbeitsaufteilung zwischen Hochdruckturbine und Zwischendruckturbine erfolgt, und dies ermöglicht einen nahezu konstanten Arbeitspunkt für den Hochdruckkompressor während der meisten typischen Flugzyklen.
Es können verschiedene Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele getroffen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann die Erfindung auch bei industriellen Gasturbinentriebwerken benutzt werden, wo die Niederdruckturbine einen elektrischen Generator antreibt und nicht einen Niederdruckkompressor.
Die vorstehende Beschreibung bemühte sich, die Aufmerksamkeit auf jene Merkmale der Erfindung zu richten, die als besonders wichtig betrachtet werden sollen. Es ist jedoch klar, dass auch Schutz bezüglich aller patentierten Merkmale oder die Kombination von Merkmalen unter Schutz gestellt werden sollen, die vorstehend beschrieben und/oder in der Zeichnung dargestellt wurden, unabhängig davon, ob diese mit besonderem Nachdruck erläutert wurden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) mit variablem Zyklus, wobei das Triebwerk (10) erste und zweite Kompressoren (18, 16), eine Verbrennungseinrichtung (20) und erste und zweite Turbinen (22, 24) aufweist, die den ersten und zweiten Kompressor (18, 16) über Verbindungswellen antreiben, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Kapazität der zweiten Turbine (24) zu verändern und das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt, bei einem gegebenen Triebwerksleistungsbedarf die Kapazität der zweiten Turbine (24) zu ändern, um in entsprechender Weise die Kapazität der ersten Turbine (22) zu ändern und um dadurch zu verhindern, dass der zweite Kompressor (16) in den Pumpzustand überführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks nach Anspruch 1, bei welchem dann, wenn das Triebwerk bei geringer Leistung arbeitet, die Kapazität der Turbine (24) variabler Kapazität erhöht wird, wodurch das Druckverhältnis über der Turbine (24) variabler Kapazität verringert wird und das Druckverhältnis über dem hiervon angetriebenen Kompressor (16) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem dann, wenn das Druckverhältnis über der Turbine (24) einstellbarer Kapazität verringert wird, das Druckverhältnis über der Turbine (22) stromauf hiervon ansteigt, wodurch das Druckverhältnis über einem hierdurch angetriebenen Kompressor (18) erhöht wird.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die erste Turbine (22) bei einem höheren Druck arbeitet als die zweite Turbine (24) und der erste Kompressor (18) bei einem höheren Druck arbeitet als der zweite Kompressor (16), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, um die Kapazität der zweiten Turbine (24) zu ändern.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach Anspruch 4, bei welchem das Triebwerk eine dritte Turbine (26) aufweist, die einen dritten Kompressor oder einen Fan (14) antreibt, wobei die dritte Turbine (26) und der Kompressor oder der Fan (14) bei niedrigeren Drücken arbeiten als die erste und zweite Turbine und die Kompressoren.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine Mittel aufweisen, um das Druckverhältnis über der Turbine (24) zu ändern, um das Druckverhältnis über dem hiervon angetriebenen Kompressor (16) zu vermindern.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine Mittel aufweisen, um die von der Turbine (24) geleistete Arbeit zu verändern und um das von der Turbine auf die Welle ausgeübte Drehmoment zu verändern, die die Turbine (24) mit dem Kompressor verbindet.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Triebwerk Mittel (56, 58) aufweist, um Luft von einem oder mehreren Kompressoren abzuziehen und diese Luft in einen Bereich stromab der zweiten Turbine (24) und in Fluidverbindung hiermit zu überführen, um dadurch die Kapazität der zweiten Turbine zu ändern.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach Anspruch 9, bei welchem eine Leitschaufel (62) stromab der zweiten Turbine hohl ausgebildet ist und mehrere Löcher (64) aufweist, die durch eine Wand dieser Leitschaufel hindurch geführt sind, wobei Mittel vorgesehen sind, um Luft in das Innere der Leitschaufel einzuleiten und ein Ausblasen der Luft durch die Löcher (64) auf einen Bereich zu ermöglichen, der stromab der zweiten Turbine (24) liegt.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine (24) ein Rohr (56) umfassen, in dem ein Steuerventil (58) eingebaut ist.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach Anspruch 10, bei welchem eine Leitung (60) am Gehäuse der Turbine (24) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel zur Veränderung der Kapazität der Turbine (24) eine Leitschaufelanordnung umfassen, um Luft auf den Turbinenrotoraufbau der Turbine zu leiten, wobei die Leitschaufelanordnung aus einer ringförmigen Anordnung von im Wesentlichen radial verlaufenden Leitschaufeln (32) gebildet wird, die in Umfangsrichtung im Abstand zueinander derart angeordnet sind, dass dazwischen Einschnürungsflächen 40) gebildet werden, wobei die Leitschaufeln (32) derart einstellbar sind, dass die Einschnürungsflächen 40) zwischen benachbarten Leitschaufeln (32) geändert werden.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach Anspruch 12, bei welchem die Leitschaufeln (32) kontinuierlich derart einstellbar sind, dass die Einschnürungsflächen kontinuierlich zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert einstellbar sind.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem die Leitschaufeln (32) eingestellt werden können, um den Winkel zu ändern, unter dem die Luft durch die Einschnürungsflächen strömt, um auf den Turbinenrotoraufbau aufzutreffen.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, bei welchem jede Leitschaufel (32) um eine Achse schwenkbar ist, die sich allgemein in Radialrichtung der Leitschaufel erstreckt.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, bei welchem jede Leitschaufel (32) einen im Wesentlichen festen Teil (34) und einen beweglichen Teil (36) aufweist und der bewegliche Teil gegenüber dem festen Teil verschwenkbar ist, um die Einschnürungsflächen zwischen benachbarten Leitschaufeln (32) zu verändern.
Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks (10) nach Anspruch 16, bei welchem der bewegliche Teil (36) jeder Leitschaufel um eine Achse schwenkbar ist, die sich parallel zur Radialrichtung der Leitschaufel (32) erstreckt.