DE69811562T2

DE69811562T2 - Regelventil für die Zapfluft einer Gasturbine

Info

Publication number: DE69811562T2
Application number: DE69811562T
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Auxier; Douglas A. Hayes; Andrew R. Narcus
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2018-05-21
Also published as: EP0879947A3; KR19980087181A; DE69811562D1; EP0879947B1; JP4098404B2; US5899058A; KR100545944B1; EP0879947A2; JPH10325364A

Description

Die Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen generell und Bypassluftventile im im Besonderen.
Die meisten schubverstärkten Gasturbinenmaschinen weisen einen Bläser-, einen Verdichter-, einen Brennkammer-, einen Turbinen-, einen Schubverstärker- und einen Düsenabschnitt auf, die von vorne nach hinten in der Maschine angeordnet sind. Luft, die in dem Bläser- und Verdichterabschnitt verdichtet wird, wandert in die Brennkammereinrichtung, wo Brennstoff zugegeben und entzündet wird. Die Kerngasströmung (i. e. die Luft plus die Verbrennungsprodukte) verlässt die Brennkammereinrichtung und gelangt in den Turbinenabschnitt und liefert Kraft zum Antreiben der Turbine. Der Turbinenabschnitt wiederum treibt den Bläser- und Verdichterabschnitt an. Die Kerngasströmung wandert dann durch den Schubverstärker und die Düse und erzeugt Schub zum Antreiben des Flugzeugs. Unter Schubverstärkungsbedingungen wird Brennstoff selektiv der Kerngasströmung in dem Schubverstärker zugegeben und verbrannt, um zusätzlichen Schub zu erzeugen, der die Düse verlässt.
Die physikalischen Betriebsbedingungen (z. B. Druck, Temperatur und Geschwindigkeit) des durch die Maschine wandernden Kerngases werden variieren, abhängig von der Leistungseinstellung der Maschine und der äußeren Umgebung, in der die Maschine arbeitet. Beispielsweise wird sich eine Kerngasströmung, die sich durch eine Maschine bei Leerlauf am Boden bewegt, an den meisten Orten bei einer niedrigeren Temperatur, niedrigerem Druck und niedrigerer Geschwindigkeit befinden als die Gleiche in einer Maschine unter maximaler Schubverstärkung. Die Variationen in den Betriebsbedingungen der Kerngasströmung erfordern Kühlmechanismen, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Betriebsbedingungen zu handhaben.
Um das Spektrum von Betriebsbedingungen unterzubringen, besitzen die meisten schubverstärkten Gasturbinenmaschinen die Fähigkeit, selektiv von einem Bläserabschnitt oder einem Verdichterabschnitt Luft abzuzapfen. Die Zapfluft, die auch als "Bypassluft" bezeichnet wird, wird meistens verwendet, um strömungsabwärtige Bauteile, beispielsweise die Brennkammereinrichtung, die Turbine, den Schubverstärker und die Düse zu kühlen, insbesondere wenn die Maschine bei hoher Leistung oder im Schubverstärkungsbereich betrieben wird. Bypassluft, die man selektiv durch dem Kerngasströmungsweg benachbarte Strukturen hindurch treten oder oder an diesen vorbei strömen lässt, überträgt Wärmeenergie weg von diesen Strukturen. Bypassluft, die in den Schubverstärker gelangt, liefert auch zusätzlichen Sauerstoff für die Verbrennung.
Der Turbinenabschnitt der Maschine weist generell eine Mehrzahl von Statorleitschaufeln ("Austritts-Führungsleitschaufeln") auf, die hinter der letzten Turbinenrotorstufe angeordnet sind, die sich zwischen einem inneren radialen Konus und dem äußeren radialen Turbinen-Ausströmgehäuse befinden. Die Austrittsführungs-Leitschaufeln orientieren die die Turbinenrotorstufe verlassende Strömung in eine optimale Richtung für die Passage durch den Schubverstärker und die Düse. Die Austrittsführungs-Leitschaufeln, die in dem Kerngasströmungsweg angeordnet sind, bilden eine Strömungsbehinderung, die sich generell bestätigt durch eine Tasche aus relativ statischem Kerngas (nachfolgend bezeichnet als Ruhetasche) unmittelbar hinter einer jeden Austrittsführungsleitschaufel. Die Geometrie der Ruhetasche hängt von der Geometrie der Leitschaufel und der Ausrichtung der Leitschaufel relativ zu der Kerngasströmung und der Geschwindigkeit der sich an der Leitschaufel vorbei bewegenden Kerngasströmung ab. In manchen Maschinen beinhalten die Austrittsführungs-Leitschaufeln die Brennstoffsprühbalken des Schubverstärkers und eine Zündquelle zum Entzünden des Brennstoffs nach seiner Einbringung in die Kerngasströmung. In diesen Fällen ist den Austrittsführungs-Leitschaufeln eine Geometrie gegeben, welche die Ausbildung einer Ruhetasche fördert. Die Flamme wird in der Ruhetasche entzündet und gehalten, während die Kerngasströmung zwischen den umfangsmäßig beabstandeten Austrittsführungs-Leitschaufeln vorbei strömt. In anderen Maschinen sind die Brennstoffsprühbalken, die Flammhalter-Bluff-Körper und Zünder in dem Kerngasströmungsweg hinter den Turbinenauslauf-Leitschaufeln angeordnet. Ein Vorteil der Verwendung der Austrittsführungs-Leitschaufeln als "Bluff-Körper" zum Ausbilden von Ruhetaschen liegt darin, dass das Bedürfnis nach strömungsabwärtigen Brennstoffsprühbalken, Flammhalter-Bluff-Körper und Zünder eliminiert ist. Ein möglicher Nachteil der Ruhetaschen sind jedoch die Kühlanforderungen, die durch den hohen statischen Druck und die Temperatur in den Taschen hervorgerufen werden. Eine Maschine mit einer Anzahl "x" von Turbinenaustritts-Leitschaufeln hat beispielsweise Druck- und Temperaturgradienten, die sich um den Umfang des Kerngasströmungswegs mit einer Anzahl "x" von relativ hohem Druck und relativ hoher Temperatur erstrecken. Ein Bypassluftventil gemäß dem Stand der Technik ist in EP-A-0 751 282 beschrieben.
Benötigt wird ein Bypassluftventil für eine Gasturbinenmaschine, welches die Effizienz der Maschine verbessert und eines, das in einer Umgebung mit deutlichen Druck- und Wärmegradienten ohne negative Konsequenzen arbeiten kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bypassluftventil für eine Gasturbinenmaschine bereitgestellt, das eine Verkleidung, ein Band und ein Mittel zum selektiven Betätigen des Ventils aufweist. Die Verkleidung weist eine innere radiale Oberfläche, eine äußere radiale Oberfläche, eine Mehrzahl von ersten Bereichen und eine Mehrzahl von zweiten Bereichen auf. Jeder erste Bereich weist eine Mehrzahl von ersten Durchlässen auf. Jeder zweite Bereich weist eine Mehrzahl von zweiten Durchlässen auf. Das Band weist eine Mehrzahl von Öffnungen und eine Mehrzahl von dritten Bereichen auf. Jeder dritte Bereich weist eine Mehrzahl von dritten Durchlässen auf. Das Ventil kann selektiv in eine offene oder eine geschlossene Position bewegt werden. In der offenen Position sind die ersten Bereiche im Wesentlichen mit den Öffnungen ausgerichtet, und die dritten Bereiche sind im Wesentlichen mit den zweiten Bereichen ausgerichtet. In der geschlossenen Position sind die ersten Bereiche im Wesentlichen mit den dritten Bereichen ausgerichtet, und die zweiten Bereiche sind im Wesentlichen mit den Öffnungen ausgerichtet.
Ein Vorteil eines Bypassluftventils, das die vorliegende Erfindung beinhaltet, ist, dass ein Mittel zum Erhöhen der Effizienz der Maschine geschaffen wird. Unter Betriebsbedingungen, die entweder minimale Bypassluftkühlung oder einen minimalen Druck der Bypassluftkühlung benötigen, kann das Bypassluftventil nach "offen" verschoben werden und so einen Weg mit minimalem Druckabfall für Bypassluft schaffen, um sich dem niedrigeren Druck der Kerngasströmung anzuschließen. "Ablassen" der Bypassluft aus der Bypassführung und in den Kerngasströmungsweg erhöht die Effizienzen durch ein Absenken des Gegendrucks in der Bypassluftführung. Hochdruck in der Bypassluftführung bewirkt, dass der Bläser mehr Arbeit verrichtet, was wiederum die den Bläser antreibende Turbine veranlasst, mehr Arbeit zu verrichten. Schließlich kommt diese Arbeit von dem Kerngas, welches die Turbine antreibt, und lässt somit weniger Energie zur Erzeugung von Schub verfügbar sein. Außerdem hält die Bypassluft, welche durch das Bypassluftventil der vorliegenden Erfindung strömt, in der offenen Position mit niedrigerem Widerstand auch mehr der Energie zurück, die ihr entweder in dem Bläser- oder Verdichterabschnitt vermittelt wurde. Die zurückbehaltene Energie kann anschließend strömungsabwärts verwendet werden, um die Effizienz der Maschine zu erhöhen.
Ein weiterer Vorteil eines Bypassluftventils, welches die vorliegende Erfindung verwirklicht, liegt darin, dass es beständig gegen Wärmebeschädigung ist. Eine definierte Strömung von Bypassluft kann um den gesamten Umfang der Verkleidung sowohl in der offenen als auch in der geschlossenen Position hergestellt sein, und somit eine Kühlung schaffen, die angepasst ist, um eine Wärmebeschädigung zu vermeiden. Außerdem schafft eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen hinteren Flansch zum Herstellen einer Zwischenfläche mit der Schubverstärkerverkleidung. Der hintere Flansch weist ein Mittel zum Kühlen auf, das die Zwischenfläche zwischen dem Ventil und der Schubverstärkerverkleidung thermisch schützt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie einer Umgebung mit wesentlichen Druck- und Temperaturgradienten gerecht werden kann. Die Kerngasströmung unmittelbar nach der Turbine ist häufig durch umfangsmäßige und radiale Druck- und Temperaturgradienten gekennzeichnet in Folge der Disposition der Turbinenaustrittsführungs-Leitschaufeln in der Kerngasströmung. Das trifft insbesondere zu, wenn die Maschine bei einer höheren Leistungseinstellung arbeitet oder im Schubverstärkungszustand ist. Der erste und der zweite Bereich der Verkleidung und die Öffnungen und die dritten Bereiche des Bands schaffen Bypassluftströmungswege durch das Ventil, die Unterschieden bei Druck und Temperatur gerecht werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Betriebsbedingungen des Bläserabschnitts selektiv eingestellt werden können. In manchen Fällen ist es wünschenswert, die Menge an Widerstand, die der Bläser erfährt, zu ändern. Wenn z. B. der Strömungsabriss-Grenzbereich eines Triebwerksbläsers in bestimmten Teilen eines Plugeinsatzbereichs kritisch ist, kann das Bypassluftventil geöffnet werden, um den Gegendruck auf den Bläser zu verringern und seinen Strömungsabriss-Grenzbereich zu vergrößern. Ein offenes Bypassluftventil schafft weniger Gegendruck in der Bypassluftführung und deshalb weniger Bläserwiderstand, als es ein geschlossenes Bypassluftventil tut.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Gasturbinenmaschine.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Bypassluftventils gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht des Bypassluftventils von Fig. 2.
Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Teilansicht des Bypassluftventils von Fig. 2.
Fig. 5 ist eine schematische Teilansicht des radial nach innen des Bands eines Bypassluftventils der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist eine schematische Teilansicht radial nach innen des Bypassluftventils von Fig. 2 in der geschlossenen Position.
Fig. 7 ist eine schematische Teilansicht radial nach innen des Bypassluftventils von Fig. 2 in der offenen Position.
Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht des in Fig. 6 gezeigten Bypassluftventils, welches entlang der Linie 8-8 geschnitten ist und auch einen vorderen Abschnitt einer Schubverstärkerverkleidung aufweist.
Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht des in Fig. 6 gezeigten Bypassluftventils, das entlang der Linie 9-9 geschnitten ist und auch einen vorderen Abschnitt einer Schubverstärkerverkleidung aufweist.
Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 kann beschrieben werden als aufweisend: einen Bläser 12, einen Verdichter 14, eine Brennkammereinrichtung 16, eine Turbine 18, ein Bypassluftventil 20, einen Schubverstärker 22 und eine Düse 24. Luft, welche den Bläser 12 verlässt, wird aufgeteilt zwischen einer Kerngasströmung 26 und einer Bypassluftströmung 28. Die Kerngasströmung 26 folgt einem Weg durch den Verdichter 14, die Brennkammereinrichtung 16, die Turbine 18, den Schubverstärker 22 und die Düse 24 in dieser Reihenfolge. Die Kerngasströmung 26 kann deshalb beschrieben werden als einem Weg folgend, der im Wesentlichen parallel zur Achse 30 der Maschine 10 ist. Bypassluft 28 folgt auch einem Weg, der parallel zur Achse 30 der Maschine 10 ist und tritt durch einen Ringraum 32, der sich entlang der Peripherie der Maschine 10 erstreckt. Hinter der Turbine 18 befindet sich die Bypassluftströmung 28 auf einem höheren Druck als die Kerngasströmung 26.

I. Elemente des Bypassluftventils

Die Fig. 2 bis 5 zeigen schematische Ansichten eines Bypassluftventils 20. Das Bypassluftventil 20 ist angeordnet, um Bypassluft 28 aufzunehmen, die durch den Ringraum 32 strömt (Fig. 2). Das Bypassluftventil 20 weist ein Band 34, eine Verkleidung 36, ein Mittel 38 zum Vorspannen des Bands 34 in Kontakt mit der Verkleidung 36 und einen Betätiger 40 zum selektiven Bewegen des Bands 34 relativ zu der Verkleidung 36 auf. Es wird auf die Fig. 4 Bezug genommen. Die Verkleidung 36 ist eine ringartige Struktur, die eine innere radiale Oberfläche 42, eine äußere radiale Oberfläche 44, erste Bereiche 46, zweite Bereiche 48 und einen hinteren Flansch 50 aufweist. Die ersten Bereiche 46 weisen eine Mehrzahl von ersten Durchlässen 52 auf. In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von ersten Ausnehmungen 54 in der äußeren radialen Oberfläche 44 eines jeden ersten Bereichs 46 angeordnet. Die zweiten Bereiche 48 weisen eine Mehrzahl von zweiten Durchlässen 56 auf. In der bevorzugten Ausführungsform weisen die zweiten Bereiche 48 auch eine Mehrzahl von zweiten Ausnehmungen 58 auf, die in der äußeren radialen Oberfläche 44 der Verkleidung 36 angeordnet sind und durch Rippen 60 getrennt sind. Die zweiten Ausnehmungen 58 haben eine Tiefe 62, die sich von der äußeren radialen Oberfläche 44 zu der Basisoberfläche 64 erstreckt. Die Dicke 66 der Rippen 60 ist geringer als die Tiefe 62 der zweiten Ausnehmungen 58. Die ersten 46 und die zweiten 48 Bereiche in der Verkleidung 36 alternieren umfangsmäßig. In der bevorzugten Ausführungsform weist der hintere Flansch 50 eine Mehrzahl von Kühlschlitzen 68 und Kühldurchlässe 70 auf.
Es wir auf die Fig. 3 und 5 Bezug genommen. Das Band 34 ist zu einem Ring geformt und ist radial außerhalb der Verkleidung 36 für eine Bewegung relativ zur Verkleidung 36 angeordnet. Das Band 34 weist einen ersten Flansch 72, der an einem längsseitigen Ende angebracht ist, einen zweiten Flansch 74, der an dem anderen längsseitigen Ende (Fig. 3) angeordnet ist, und eine Mehrzahl von dritten Bereichen 76 und Öffnungen 78, die zwischen den zwei längsseitigen Enden (Fig. 5) angeordnet sind, auf. Die dritten Bereiche 76 weisen eine Mehrzahl von dritten Durchlässen 80 auf, die in einem Muster angeordnet sind, das komplementär zu dem Muster der ersten Durchlässe 52 in den ersten Bereichen 46 ist. Der Durchmesser eines jeden dritten Durchlasses 80 ist relativ zu einem jeden ersten Durchlass 52 klein. Das Verhältnis zwischen den ersten 52 und dritten 80 Durchlässen wird nachfolgend detaillierter beschrieben. Die Öffnungen 78 in dem Band 34 weisen, wie in Fig. 5 gezeigt, drei Abschnitte 82 auf, obwohl mehr oder weniger Abschnitte alternativ verwendet werden kön nen. Die kollektive Fläche der Abschnitte 82, die durch eine umfangsmäßige Breite 84 und eine axiale Länge 86 definiert ist, nimmt im Wesentlichen die gleiche Fläche ein wie die zweiten Bereiche 48 der Verkleidung 36. Die umfangsmäßige Breite 84 der Öffnungsabschnitte 82 ist jedoch größer als die umfangsmäßige Breite 88 (Fig. 7) der ersten Bereiche 46. Es wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Das Mittel 38 zum Vorspannen des Bands 34 in Kontakt mit der Verkleidung 36 weist ein Paar von Federanordnungen 90 auf. Jede Federanordnung 90 weist eine Feder 92, eine Schraube 94 und eine Mutter 96 auf. Die Schraube 94 erstreckt sich durch die Feder 92 und durch Spielöffnungen in dem ersten 72 und zweiten 74 Flansch. Die Feder 92 wirkt zwischen der Schrauben/Mutternanordnung 94, 96 und der äußeren Oberfläche an einem der Flansche 72, 74. In der bevorzugten Ausführungsform weist das Band 34 ein Strukturelement 98 (siehe Fig. 8 und 9) auf, welches an der Seite des Bands 34 angebracht ist, die von der Verkleidung 36 weg gerichtet ist, um dem Band 34 eine erhöhte Festigkeit zu geben.
Es wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Der Aktuator 40 weist einen Arm 100 und ein Antriebselement 102 auf. Der Arm 100 weist einen ersten äußeren Steg 104, einen zweiten äußeren Steg 106 und einen Mittelsteg 108 auf, der zwischen den äußeren Stegen 104, 106 angeordnet ist. Der erste Flansch 72 des Bands 34 ist zwischen dem Mittelsteg 108 und dem zweiten äußeren Steg 106 angeordnet. Der zweite Flansch 74 des Bands 34 ist zwischen dem Mittelsteg 108 und dem ersten äußeren Steg 104 angeordnet. Das Ende des Arms 100, welches den Stegen 104, 106, 108 entgegengesetzt ist, ist schwenkbar an dem Antriebselement 102 angeschlossen. Das Antriebselement 102 wird von einem elektromechanischen, hydraulischen oder anderem Rotationsgerät (nicht gezeigt) angetrieben.

II. Das Bypassluftventil in der geschlossenen Position

Es wird auf die Fig. 6, 8 und 9 Bezug genommen. Das Bypassluftventil 20 ist unter den Bedingungen (hohe Leistungseinstellung, Schubverstärkung, etc.) normal geschlossen, bei denen ein hohes Kühlniveau hinter dem Bypassluftventil 20 in dem Schubverstärker 22 und der Düse 24 (Fig. 1) erforderlich ist. In der geschlossenen Position ist das Band 34 in eine Position bewegt, in der die Öffnungen 78 in dem Band 34 im Wesentlichen mit den zweiten Bereichen 48 der Verkleidung 36 ausgerichtet sind, und die dritten Bereiche 76 des Bands 34 sind im Wesentlichen mit den ersten Bereichen 46 der Verkleidung 36 ausgerichtet. Die Muster der ersten Durchlässe 52 und der dritten Durchlässe 80 sind derart ausgerichtet, dass Bypassluft 28, welche sich durch einige der dritten Öffnungen 80 bewegt, auf die Verkleidung 36 trifft. Bypassluft 28, welche sich durch die restlichen dritten Durchlässe 80 bewegt, wird in Richtung zu den ausgerichteten ersten Durchlässen 52 (Fig. 8) gelenkt.
Der Druckabfall über das Bypassluftventil 20 (d. h. der Druckunterschied zwischen der Bypassluft und dem Kerngas) ist diskret über das Ventil 20 gestuft. Die Anzahl von Stufen und die Größe einer jeden Stufe ist durch den Weg durch das Bypassluftventil 20 definiert. Beispielsweise erzeugt die Ausrichtung zwischen den ersten 46 und den dritten 76 Bereichen in der geschlossen Position zwei diskrete Schritte über das Bypassluftventil 20; einen Schritt über das Band 34 und einen Schritt über die Verkleidung 36, die zusammen gleich dem Druckabfall über das Bypassluftventil 20 sind. Die kleineren dritten Durchlässe 80 unterstützen einen viel größeren Druckabfall, als es die relativ großen ersten Durchlässe 52 tun. Als Folge trifft die Bypassluftströmung 28 auf die Verkleidung 36 zwischen den ersten Durchlässen 52 oder strömt durch ausgerichtete erste Durchlässe 52. Nach dem Auftreffen auf die Verkleidung 36 bewegt sich die Bypassluft 28 durch die ersten Durchlässe 52 und "blutet aus" in die Kerngasströmung 26. Das Ausbluten bei niedrigem Druck der Bypassluft 28 aus den ersten Durchlässen 52 erleichtert die Ausbildung einer Grenzschicht (nicht gezeigt) entlang der inneren radialen Oberfläche 42 der Verkleidung. Die Grenzschicht aus relativ kühler Bypassluft 28 hilft, die Verkleidung 36 gegen die heiße Kerngasströmung 26 thermisch zu schützen. Der Durchmesserunterschied (oder der Unterschied der Querschnittsfläche, falls diese nicht rund sind) zwischen den ersten 52 und den dritten 80 Durchlässen kann erhöht oder verringert sein, um die Größe der Druckstufen über das Band 34 und die Verkleidung 36 zu ändern.
Es wird auf die Fig. 8 Bezug genommen. In der Ausführungsform mit ersten Ausnehmungen 54, die in der äußeren radialen Oberfläche 44 der Verkleidung 36 angeordnet sind, sektionieren die ersten Ausnehmungen 54 die Bypassluft 28, welche sich zwischen dem Band 34 und der Verkleidung 36 bewegt. Bypassluft 28, welche in eine erste Ausnehmung 54 durch einen oder mehrere dritte Durchlässe 80 gelangt, muss die ersten Durchlässe 52 verlassen, die mit dieser speziellen ersten Ausnehmung 54 ausgerichtet sind. In der Folge haben die ersten Durchlässe 52 eine definierte Strömung von Bypassluft 28, welche diese verlässt, trotz des nur geringen Druckunterschieds über diese. Die definierte Luftströmung durch die ersten Öffnungen 52 ist besonders wichtig in Bereichen, in denen substanzielle Druckgradienten bestehen und ein örtlicher Kerngasdruck den Druck in einer ersten Ausnehmung 54 zu einem bestimmten Zeitpunkt überschreiten kann. In diesem Fall tritt die Bypassluft 28 weiterhin in die erste Ausnehmung 54 in Folge des relativ großen Druckunterschieds über das Band 34 ein, und deren Druck nimmt schließlich zu, bis der Druck in der ersten Ausnehmung 54 den lokalen Druck in der Kerngasströmung 26 überschreitet. Somit werden ein Einströmen von heißem Gas und eine potenzielle Wärmebeschädigung vermieden.
Es wird auf die Fig. 6 Bezug genommen. Bypassluft, welche sich durch das "geschlossene" Bypassluftventil 20 über die Öffnungen 78 in dem Band 34 und die zweiten Durchlässe 56 in den zweiten Bereich 48 bewegt, ist einem einzigen diskreten Druckabfall ausgesetzt. Die Öffnungen 78 liefern einen vernachlässigbaren Druckabfall und lassen so den Druckabfall über die zweiten Durchlässe 56 im Wesentlichen gleich zu dem Druckabfall über das Bypassluftventil 20 sein. Die zweiten Durchlässe 56 sind so bemessen, dass sie ein "Einspritzen" der Bypassluft 28 in die Kerngasströmung 26 bewirken. In der bevorzugten Ausführungsform ist jeder zweite Bereich 48 hinter einer Turbinenaustrittsführungs-Leitschaufel 110 (die mit unterbrochenen Linien in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist) angeordnet, so dass die aus den zweiten Bereichen 48 "herausspritzende" Bypassluft 28 in die Ruhetaschen mit hohem Druck und hoher Temperatur gelangt, die in der Bypassluft 28 hinter der Turbinenaustrittsführungs-Leitschaufel 110 gebildet sind. Bypassluft 28, die in die Ruhetaschen "einspritzt", schützt thermisch die Verkleidung 36, indem sie das Kerngas 26 mit hoher Temperatur weg von der Verkleidung 36 bläst und verhindert ein unerwünschtes Einströmen von Hochtemperatur-Kerngas. In den Fällen, wo Schubverstärkerbrennstoff den Turbinenaustrittsführungs-Leitschaufeln 110 benachbart verteilt wird, ist das Wegblasen der Bypassluft 28 und der Brennstoffmischung weg von der Verkleidung 36 besonders wichtig, da die Verbrennung der Verkleidung 36 benachbart die Gelegenheit für eine thermische Beschädigung erhöht.

III. Betätigen des Ventils in Richtung der offenen oder geschlossenen Position

Es wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Wenn das Bypassluftventil 20 in Richtung auf die offene Position bewegt wird, treibt das Aktuator-Antriebselement 102 den Arm 100 in eine Richtung im Wesentlichen tangential zum Umfang der Verkleidung 36. In Folge berührt der Mittelsteg 108 den ersten Flansch 72 und treibt ein Segment des Bands 34 aus einer Berührung mit der Verkleidung 36. Nach dem Lösen des Bandsegments von der Verkleidung 36 wird das Band 34 entweder durch die Federanordnungen 90, die den zweiten Flansch 74 in die gleiche Richtung ziehen oder durch den zweiten äußeren Steg 106, der den zweiten Flansch 74 berührt, verlagert. Nach dem Verlagern des Bands 34 in die offene Position spannen die Federanordnungen 90 und der Druck gegen das Band 34 das Band 34 gegen die Verkleidung 36 vor.
Wenn das Bypassluftventil 20 in Richtung zur geschlossenen Position bewegt wird, treibt das Antriebselement 102 den Arm 100 in eine Richtung entgegengesetzt zu der Richtung, die zum Öffnen des Ventils 20 genommen wurde. Dabei berührt der Mittelsteg 108 den zweiten Flansch 74 und treibt ein Segment des Bands 34 aus einem Kontakt mit der Verkleidung 36. Das Band 34 wird anschließend entweder durch die Federanordnungen, die den ersten Flansch 72 in die gleiche Richtung ziehen, oder durch den äußeren Steg 104, der den ersten Flansch 72 berührt, verlagert. Nach dem Verlagern des Bands 34 in die geschlossene Position spannen die Federanordnungen 90 und der Druck gegen das Band 34 das Band 34 gegen die Verkleidung 36 vor.

IV. Das Bypassluftventil in der offenen Position

Es wird auf die Fig. 7 Bezug genommen. Das Bypassluftventil 20 ist unter den Bedingungen (niedrige Leistungseinstellung, keine Schubverstärkung, etc.), bei denen ein niedrigeres Niveau an Kühlung hinter dem Bypassluftventil 20, in dem Schubverstärker 22 und der Düse 24 (Fig. 1) erforderlich ist, normalerweise offen. Alternativ kann es wünschenswert sein, das vorliegende Bypassluftventil 20 für die Zwecke des selektiven Einstellens der Betriebsbedingungen des Bläsers offen zu haben. In der offenen Position sind die Öffnungen 78 in dem Band 34 im Wesentlichen mit den ersten Bereichen 46 in der Verkleidung 36 ausgerichtet, und die dritten Bereiche 76 in dem Band 34 sind mit den zweiten Bereichen 48 in der Verkleidung 36 ausgerichtet. Die Öffnungen 78 er lauben es einem großen Volumen an Bypassluft 28, sich direkt durch die ersten Durchlässe 52 und in die Kerngasströmung 26 mit minimalem Druckabfall zu bewegen. Bypassluft 28 bewegt sich auch in die Kerngasströmung 26 durch die zweiten Durchlässe 56. Bypassluft 28 gelangt in die zweiten Durchlässe 56, indem es sich durch dritte Durchlässe 80 oder die Öffnungen 78 bewegt. Die umfangsmäßige Breite 84 der Öffnungen 78 überlappt jeden ersten Bereich 46 und ragt eine Strecke in jeden benachbarten Bereich 48. Das Überlappen der Öffnungen 78 in die zweiten Bereiche 48 schafft einen Weg mit minimalem Druckabfall zu den zweiten Durchlässen 56. In der Ausführungsform, in der jeder zweite Bereich 48 eine Mehrzahl von zweiten Ausnehmungen 58 aufweist, die von Rippen 60 beabstandet sind, erlaubt es der Spalt zwischen einer jeden Rippe 60 und dem Band 34 der Bypassluft 28, sich zwischen benachbarten zweiten Ausnehmungen 58 zu bewegen. Der Spalt zwischen jeder Rippe 60 und dem Band 36 existiert, weil die Dicke 66 einer jeden Rippe 60 geringer ist als die Tiefe 62 der zweiten Ausnehmung 58.
Unabhängig davon, ob das Bypassventil 20 offen oder geschlossen ist, wird Bypassluft 28, welche sich durch das Ventil 20 bewegt, in die Kerngasströmung 26 um den gesamten Umfang des Bypassluftventils 20 gelangen. Die umfangsmäßige Gleichförmigkeit der in den Schubverstärker 22 gelangenden Bypassluft 28 erhöht die Effizienz des Schubverstärkers 22 und minimiert die Auswirkungen von jeglichen Druck- und Wärmegradienten, die möglicherweise existieren. Zusätzlich erlauben es die Schlitze 68 und die Kühldurchlässe 70 in dem hinteren Flansch 50 der Bypassluft 28, sich durch den hinteren Flansch 50 oder diesem benachbart zu bewegen, unabhängig davon, ob das Bypassluftventil 20 offen oder geschlossen ist. Die Anzahl und die Position der Schlitze 68 in dem hinteren Flansch 70 kann variiert werden, um verschiedene Kühlanforderungen zu erfüllen.
Man erkennt deshalb aus der vorangehenden Beschreibung, dass hier ein Bypassluftventil für eine Gasturbinenmaschine beschrieben ist, welches die Effizienz der Maschine erhöht, indem es die Menge an Arbeit minimiert, die in Folge der Kühlanforderungen verloren geht, das widerstandsfähig gegen thermische Beschädigung ist und das effektiv in einer Umgebung mit substanziellen Druck- und Wärmegradienten arbeiten kann.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie durch die Ansprüche definiert, abzuweichen. Beispielsweise ist beschrieben, dass der Aktuator 40 einen Arm 100 und ein Antriebselement 102 hat. Andere Mittel zum Betätigen des Bands 34 relativ zur Verkleidung 36 können alternativ verwendet werden.

Claims

1. Bypass-Luftventil (20) für eine Turbobläser Gasturbinenmaschine, aufweisend (10):

eine Verkleidung (36) mit einer inneren radialen Oberfläche (42), einer äußeren radialen Oberfläche (44), einer Mehrzahl von ersten Bereichen (46), wobei jeder erste Bereich eine Mehrzahl von ersten Durchlässen (52) aufweist, und eine Mehrzahl von zweiten Bereichen (48), wobei jeder zweite Bereich eine Mehrzahl von zweiten Öffnungen (56) aufweist;

ein Band (34), welches radial außerhalb der Verkleidung (36) angeordnet ist und diese umgibt, wobei das Band eine Mehrzahl von Öffnungen (78) und eine Mehrzahl von dritten Bereichen (76) aufweist, wobei die dritten Bereiche eine Mehrzahl von dritten Durchlässen (80) aufweisen;

ein Betätiger (40) zum selektiven Bewegen des Bands (34) relativ zu der Verkleidung (36);

wobei das Ventil (20) selektiv in eine offene Position bewegt werden kann, in der die ersten Bereiche (46) im Wesentlichen mit den Öffnungen (78) ausgerichtet sind, und so einen ersten Strömungsweg für Bypassluft (28) durch das Ventil über die Öffnungen (78) und die ersten Durchlässe (52) schaffen, wobei die dritten Bereiche (76) im Wesentlichen mit den zweiten Bereichen (48) ausgerichtet sind und so einen zweiten Strömungsweg für Bypassluft (28) durch das Ventil durch die dritten Durchlässe (80) und die zweiten Durchlässe (56) schaffen; und

wobei das Ventil (20) selektiv in eine geschlossene Position bewegt werden kann, in der die ersten Bereiche (46) im Wesentlichen mit den dritten Bereichen (76) ausgerichtet sind, und so einen dritten Strömungsweg durch das Ventil über die dritten (80) und ersten (52) Durchlässe schaffen, und wobei die zweiten Bereiche (48) im Wesentlichen mit den Öffnungen (78) ausgerichtet sind und so einen vierten Strömungsweg durch das Ventil über die Öffnungen (78) und die zweiten Durchlässe (56) schaffen.

2. Bypassluftventil nach Anspruch 1, wobei der dritte Strömungsweg durch die dritten (80) und ersten (52) Durchlässe so bemessen ist, dass er eine Bypassluftströmung (28) deutlich mehr behindert als der erste Strömungsweg durch die Öffnungen (78) und die ersten Durchlässe (52).

3. Bypassluftventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten Bereiche (46) ferner aufweisen:

eine Mehrzahl von ersten Ausnehmungen (54), die in der äußeren radialen Oberfläche (44) der Verkleidung angeordnet sind, wobei sich mindestens einer der ersten Durchlässe (52) durch jede erste Ausnehmung (54) erstreckt.

4. Bypassluftventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die zweiten Bereiche (48) ferner aufweisen:

eine Mehrzahl von zweiten Ausnehmungen (58), die in der äußeren radialen Oberfläche (44) der Verkleidung (36) angeordnet sind, wobei die zweiten Ausnehmungen (58) voneinander durch eine Rippe (60) beabstandet sind.

5. Bypassluftventil nach Anspruch 4, wobei in der offenen Position die Öffnungen (78) in dem Band (34), die im Wesentlichen mit einem der ersten Bereiche (46) ausgerichtet sind, die benachbarten zweiten Bereiche (48) überdecken und es so der Bypassluft (28) erlauben, über die Öffnungen (78) in die zweiten Ausnehmungen (58) zu gefangen.

6. Bypassluftventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dritten Durchlässe (80) in parallelen Reihen angeordnet sind, und wobei die ersten Durchlässe (52) in parallelen Reihen angeordnet sind;

wobei die Reihen von ersten und dritten Durchlässen relativ derart beabstandet sind, dass in der geschlossenen Position eine der Reihen von dritten Durchlässen (80) im Wesentlichen mit einer der Reihen von ersten Durchlässen (52) ausgerichtet ist, und eine der Reihen von dritten Durchlässen zwischen benachbarten Reihen von ersten Durchlässen angeordnet ist.

7. Bypassluftventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten (46) und zweiten (48) Bereiche alternierend um den Umfang der Verkleidung (36) angeordnet sind.

8. Bypassluftventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (78) und die dritten Bereiche (76) alternierend um den Umfang des Bands (34) angeordnet sind.

9. Bypassluftventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten Durchlässe (52) einen größeren Durchmesser oder eine größere Querschnittsfläche als die zweiten Durchlässe (56) haben.

10. Bypassluftventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verkleidung (36) ferner einen hinteren Flansch (50) aufweist.

11. Bypassluftventil nach Anspruch 10, wobei in dem hinteren Flansch (50) ein Mittel zum Kühlen vorgesehen ist.

12. Bypassluftventil nach Anspruch 11, wobei das Kühlmittel eine Mehrzahl von Schlitzen (68) aufweist, die in einer äußeren radialen Oberfläche des hinteren Flansches (50) angeordnet sind; und

wobei die Verkleidung (36) ferner eine Mehrzahl von vierten Durchlässen (70) dem hinteren Flansch benachbart aufweist.