DE3623696A1

DE3623696A1 - Compressor with devices for preventing surging

Info

Publication number: DE3623696A1
Application number: DE19863623696
Authority: DE
Inventors: Dietmar Prof Dr Hennecke
Original assignee: Individual
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1986-07-14
Filing date: 1986-07-14
Publication date: 1988-01-28
Also published as: DE3623696C2

Abstract

Compressor with device for preventing surging, the measuring sensors being placed at especially exposed and/or formed places (predetermined separation points). These may take the form of fully or, in some cases, greatly angled or arched guide vanes or wall dents. In this way, when the operating point approaches the surging limit, the flow boundary layer should break away at the predetermined separation points, this should be detected and suitable countermeasures should be taken via a control device before the boundary layer separation takes place at the entire compressor stage.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter mit Einrich tungen zur Verhinderung des Pumpens.The invention relates to a compressor with Einrich prevention of pumping.

Die hochbelasteten Verdichter moderner Gasturbinenflugtrieb werke sind empfindlich gegenüber stationären und instationären Störungen, verursacht z. B. durch Ungleichförmigkeit im Ge schwindigkeits- und Temperaturfeld der Zuströmung (Seitenwind, Böen oder ähnliches), durch Änderung der Spalte zwischen Lauf schaufeln und Gehäuse, durch Beschädigungen oder durch Druck schwankungen beim Nachbrennerzünden oder Düsenverstellungen. Solche Störungen senken in der Regel die Pumpgrenze, so daß es zum Pumpen des Verdichters kommen kann. Aus Sicherheits gründen wird daher üblicherweise der Verdichter auf einer Arbeitslinie mit einem relativ großen Abstand zur Pumpgrenze betrieben. Eine Verringerung dieses Pumpgrenzenabstandes würde eine höhere Belastung des Verdichters und somit einen höheren Wirkungsgrad und geringeren Brennstoffverbrauch der Gasturbine ermöglichen.The highly loaded compressors of modern gas turbine aircraft engines works are sensitive to stationary and unsteady Disruptions, e.g. B. by non-uniformity in Ge velocity and temperature field of the inflow (cross wind, Gusts or the like), by changing the column between the run shovels and casing, due to damage or pressure fluctuations in afterburner ignition or nozzle adjustments. Such disturbances usually lower the surge limit, so that the compressor may pump. For security The compressor will therefore usually be based on one Working line with a relatively large distance from the surge line operated. A reduction in this surge margin distance would a higher load on the compressor and thus a higher Efficiency and lower fuel consumption of the gas turbine enable.

Aus "Aviation Week and Space Technology", March 11, 1985, Seite 74 ff ist ein System bekannt, bei dem die Verdichter arbeitslinie entsprechend der jeweiligen Situation (Machzahl, Höhe, Anstellwinkel usw.) eingestellt wird, und zwar nach einem vorab ermittelten Gesetz (d. h. durch eine Steuerung). Auf unerwartete Störungen kann ein solches System nicht rea gieren, so daß es doch zum Pumpen kommen kann.From "Aviation Week and Space Technology", March 11, 1985, Page 74 ff is known a system in which the compressor work line according to the respective situation (Mach number, Height, angle of attack, etc.) is set according to a pre-determined law (i.e. by a controller). Such a system cannot react to unexpected faults greed so that it can still pump.

Aus der Druckschrift "Smart Engine Components - A Micro in Every Blade" des American Institute of Aeronautics and Astro nautics (AIAA-85-1 296) sind ferner Überlegungen bekannt, diese Probleme durch Regelungen zu beseitigen, welche aufgrund von Messungen bestimmter Betriebsparameter eine Leitschaufel verstellung durchführen. Dafür werden Messungen von örtlichen Druck- und Strömungsverteilungen vorgeschlagen, wobei jedoch der Nachteil auftritt, daß die zuverlässige Vorhersage einer akuten Pumpgefahr nicht möglich ist. Es gibt keine verläß lichen Symptome einer bevorstehenden Strömungsablösung, so daß die Meßsensoren entweder erst so unmittelbar vor Ablösung der Grenzschicht ansprechen, daß es zur Verhinderung des Pum pens zu spät ist, oder trotzdem ein großer Sicherheitsabstand des Betriebspunktes von der Pumpgrenze eingehalten werden muß.From the publication "Smart Engine Components - A Micro in Every Blade" of the American Institute of Aeronautics and Astro nautics (AIAA-85-1 296), considerations are also known for eliminating these problems by means of regulations which, based on measurements of certain operating parameters, cause a guide vane carry out adjustment. Measurements of local pressure and flow distributions are proposed for this, but with the disadvantage that the reliable prediction of an acute risk of pumping is not possible. There are no reliable symptoms of impending flow separation, so that the measuring sensors either only respond so immediately before the boundary layer is detached that it is too late to prevent the pump, or a large safety distance of the operating point from the surge limit must still be maintained.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu schaf fen, die so frühzeitig das Annähern der Arbeitslinie an die Pumpgrenze anzeigt, daß noch genügend Zeit verbleibt, geeig nete Maßnahmen zur Verhinderung des Pumpens durchzuführen.The object of the invention is therefore to create an arrangement that bring the work line closer to the Pumping limit indicates that there is still enough time, suitable Take measures to prevent pumping.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an einer oder mehreren Stellen des Verdichters, die grenzschichtablöse gefährdet sind, örtlich die Geometrie so verändert wird, daß dort früher und definierter als bei einer das Pumpen des Ver dichters bewirkende Ablösung, eine lokal eng begrenzte Ablö sung der Grenzschicht einsetzt, und an jeder solchen Stelle veranderter Geometrie (Sollablösestelle) Sensoren angebracht sind, welche die Ablösung erkennen und über einen Regelkreis Maßnahmen einleiten, die eine Absenkung der Arbeitslinie be wirken.The object is achieved in that at one or more points of the compressor, the boundary layer separation are at risk, the geometry is changed locally so that there earlier and more defined than the one pumping the ver replacement which caused poetry, a locally limited replacement solution of the boundary layer, and at each such point changed geometry (target detachment point) sensors attached are who recognize the detachment and via a control loop Take measures to lower the work line Act.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Stelle, an der die Geometrie im Verdichter verändert ist, eine ein zelne Leitschaufel aus einer Leitschaufelreihe ist, die in bestimmten Betriebszuständen besonders ablösegefährdet ist.One embodiment of the invention provides that the location where the geometry in the compressor is changed, one on individual guide vane from a row of guide vanes which is in certain operating conditions is particularly at risk of replacement.

Vorzugsweise ist die Leitschaufel stärker gegenüber der Ver dichterströmung angestellt als die anderen Leitschaufeln der selben Schaufelreihe. Dies hat den Vorteil, daß insbesondere bei verstellbaren Leitschaufeln nur geringe Änderungen für die geänderte Schaufel erforderlich sind. Preferably the vane is stronger than the ver flow than the other guide vanes of the same row of blades. This has the advantage that in particular only small changes for adjustable guide vanes for the modified bucket are required.

Alternativ kann die Leitschaufel stärker gewölbt sein als die anderen Leitschaufeln derselben Schaufelreihe.Alternatively, the guide vane can be curved more than that other guide vanes of the same row of blades.

Alternativ kann die Leitschaufel nur örtlich, z. B. am radial äußeren oder inneren Ende verändert sein. Dadurch bleibt die Strömungsablösung auf einen sehr kleinen Bereich beschränkt, und ein etwaiger negativer Einfluß auf den Verdichterwirkungs grad bleibt gering.Alternatively, the guide vane can only be used locally, e.g. B. on the radial outer or inner end to be changed. This leaves the Flow separation limited to a very small area, and any negative impact on compressor performance degree remains low.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Sollablöse stelle eine örtliche Ausbeulung oder Einbuchtung an der äuße ren oder inneren Wandung des Verdichterströmungskanals ist. Dies hat den Vorteil, daß keine Veränderungen an einzelnen Leitschaufeln durchgeführt werden müssen und eine Anbringung von Sensoren an den Wandungen einfach durchzuführen ist.Another embodiment provides that the target separation place a local bulge or indentation on the outside ren or inner wall of the compressor flow channel. This has the advantage that no changes to individual Guide vanes need to be done and an attachment of sensors on the walls is easy to carry out.

Als Maßnahmen zur Verhinderung von Verdichterpumpen sind Leit schaufelverstellung des Verdichters, Abblasung von Verdichter luft, Änderung des Gegendrucks im Verdichter durch Schubdüsen verstellung oder andere geeignete Maßnahmen anzuwenden.As measures to prevent compressor pumps are Leit blade adjustment of the compressor, blow-off of the compressor air, change of the back pressure in the compressor by thrust nozzles adjustment or other suitable measures.

Die angebrachten Sensoren sind vorteilhafterweise flächen deckend angeordnet. Dadurch lassen sich aussagekräftigere Messungen des Verdichter-Betriebszustandes als bei punktför migen Sensoren durchführen.The sensors attached are advantageously flat arranged opaque. This allows more meaningful Measurements of the compressor operating state than at point perform sensors.

Durch die Erfindung ergibt sich insbesondere der Vorteil, daß an den Stellen des Verdichters, die ablösegefährdet sind (z. B. an den Leitschaufeln) mit Hilfe von angebrachten geeigneten, schnell ansprechenden, evtl. flächendeckenden Sensoren eine drohende Grenzschichtablösung und damit die Pumpgefahr erkannt werden kann. Die Signale können dann analysiert und geeignete Maßnahmen eingeleitet werden, um die Arbeitslinie genügend weit abzusenken, so daß Pumpen gerade vermieden wird. Durch die an ablösegefährdeten Stellen örtlich veränderte Geometrie wird erreicht, daß dort gezielt eine sehr lokal begrenzte Ablösung der Grenzschicht einsetzt und zwar früher und definierter als die das Pumpen bewirkende Ablösung. An je der solchen Sollablösestelle ist dann mindestens ein Sensor, der die Ablösung erkennt, angebracht. Die Sollab lösungen müssen dabei so beschaffen sein, daß sie ihrer seits kein Pumpen auslösen.The invention has the particular advantage that at the points of the compressor that are in danger of becoming detached (e.g. on the guide vanes) with the help of suitable, quickly responding, possibly area-covering sensors impending separation of the boundary layer and thus the risk of pumping are recognized can be. The signals can then be analyzed and appropriate Measures are taken to keep the work line sufficient lower far so that pumping is just avoided. By the geometry which has been changed locally at points at risk of detachment is achieved that there is a very local limited Detachment of the boundary layer begins earlier and more defined than the detachment causing the pumping. At each the target detachment point is then at least one Sensor that detects the detachment is attached. The Sollab solutions must be such that they are yours do not trigger any pumps.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung zeigt ein Gasturbinentrieb werk schematisch und teilweise im Längsschnitt.In the drawing is an embodiment of the invention shown. The drawing shows a gas turbine engine work schematically and partly in longitudinal section.

Das Gasturbinentriebwerk umfaßt einen Verdichter 2 und eine diesem nachgeordnete und nicht näher dargestellte Turbine 12. Am Ausgang des Triebwerks ist eine verstell bare Schubdüse 13 angeordnet. Eine Leitschaufel 5 des Vorleitgitters des Verdichters 2 ist an ihrem radial inneren Ende mit einer stärkeren Wölbung versehen als über ihre restliche Länge. In diesem Bereich befindet sich ein Drucksensor 3 zur Registrierung der Druckverhältnisse an dem stärker gewölbten Teil dieser Leitschaufel 5, wel cher gegenüber Strömungsablösungen empfindlicher ist als der Rest der Leitschaufel 5 (Sollablösestelle). Der vom Sensor ermittelte Druck wird als Meßgröße über eine Wirkverbindung 11 einem Regelgerät 4 zugeführt, welches entsprechend einer vorbestimmten Einstellung über eine Wirkverbindung 14 eine Leitschaufelverstellvorrichtung 7 im Sinne einer Absenkung der Arbeitslinie des Verdichters betätigt. Alternativ zur Leitschaufelverstellvorrichtung 7 und der Wirkverbindung 14 können Wirkverbindungen 15, 16 vorgesehen sein, die eine Abblasvorrichtung 8 des Ver dichters oder eine Verstellvorrichtung 9 der Schubdüse 13 betätigen. Alternativ zu dem an der Leitschaufel 5 be findlichen Drucksensor 3 kann ein Drucksensor 1 in einer örtlichen Einbuchtung 6 der Verdichterkanalwandung 10 vorgesehen sein.The gas turbine engine comprises a compressor 2 and a turbine 12 downstream of it and not shown in detail. At the output of the engine, an adjustable thrust nozzle 13 is arranged. A guide vane 5 of the guide vane of the compressor 2 is provided at its radially inner end with a greater curvature than over its remaining length. In this area there is a pressure sensor 3 for registering the pressure conditions on the more domed part of this guide vane 5 , which is more sensitive to flow separation than the rest of the guide vane 5 (target separation point). The pressure determined by the sensor is fed as a measured variable via an active connection 11 to a control device 4 , which actuates a guide vane adjusting device 7 in accordance with a predetermined setting via an active connection 14 in order to lower the working line of the compressor. As an alternative to the guide vane adjustment device 7 and the active connection 14 , active connections 15 , 16 can be provided which actuate a blow-off device 8 of the United poet or an adjustment device 9 of the thrust nozzle 13 . As an alternative to the pressure sensor 3 which is sensitive to the guide vane 5 , a pressure sensor 1 can be provided in a local indentation 6 of the compressor duct wall 10 .

Claims

1. Compressor with a device for preventing pumping, characterized in that at one or more points ( 1 ) of the compressor ( 2 ), which are at risk of detachment from the boundary layer, the geometry is changed locally so that there earlier and more defined than at one pumping of the compressor causing detachment, a locally narrowly delimited detachment of the boundary layer, and sensors ( 3 ) are attached to each such place of changed geometry (target detachment point), which detect the detachment and initiate measures via a control circuit ( 4 ) lower the work line.

2. Compressor according to claim 1, characterized in that the point at which the geometry is changed in the compressor, a single guide vane ( 5 ) from a Leitschau felzeile, which is particularly prone to detachment in certain operating conditions.

3. Compressor according to claim 2, characterized in that the guide vane ( 5 ) is set to flow stronger than the compressor than the other guide vanes of the same row of blades.

4. Compressor according to claim 2, characterized in that the individual guide blade ( 5 ) is curved more than the other guide blades of the same row of blades.

5. Compressor according to claim 1 to 3, characterized in that the geometry of the individual guide vane ( 5 ) only locally, z. B. is changed at the radially outer or inner end.

6. A compressor according to claim 1, characterized in that the predetermined release point is a local bulge or Einbuch device on the outer or inner wall of the compressor flow channel ( 6 ).

7. Compressor according to claim 1 to 6, characterized in that as measures for lowering the work line Leitschau felverstellung, blow-off of compressor air ( 8 ), change in back pressure in the compressor ( 9 ) or other suitable measures are used.

8. A compressor according to claim 1, characterized in that the sensors ( 3 ) are arranged area-wide.