-
Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für die Hochdruckturbine eines Flugtriebwerks, zur Kühlluftzufuhr zu den Leitschaufelsegmenten und den diesen nachgeschalteten Komponenten der Hochdruckturbine.
-
Aus der
DE 33 38 082 A1 ist eine Gasturbine bekannt, bei der zwischen den umlaufenden und feststehenden Teilen ein Hohlraum gebildet ist, durch den Luft hindurch geleitet wird. An gegenüberliegenden Enden des Hohlraumes sind stromaufwärtige und stromabwärtige Dichtungen zum Regulieren der in den Hohlraum und aus diesem heraus strömenden Luft angeordnet. Des Weiteren ist ein Kühlluftkreis für einen Turbinenrotor vorgesehen, der Luft von dem feststehenden Teil der Turbine zum Rotor durch den dazwischen angeordneten Hohlraum leitet. Der Kühlluftkreis des Rotors enthält eine Beschleunigerkammer, wo die Kühlluft beschleunigt und auf den Turbinenrotor übertragen wird. Die Beschleunigerkammer wird durch zwei zusätzliche Dichtungen begrenzt, die in Verbindung mit den anderen Dichtungen des Hohlraums Kammern stromaufwärts und stromabwärts von der mittleren Beschleunigungskammer bilden. Ein Bypasskreis richtet die Luft innerhalb der stromaufwärtigen Kammer direkt in die stromabwärtige Kammer, wobei die Beschleunigerkammer umgangen wird, sodass die durch die Beschleunigerkammer strömende Kühlluft nicht mit der Luft vermischt und durch diese verunreinigt wird, die zwischen dem Rotor und dem Stator der Gasturbine zirkuliert.
-
Ein Verfahren zur Kühlung einer Gasturbine offenbart die
DE 196 29 191 C2 . Die Gasturbine ist mit einer eine Außenwand und eine Innenwand aufweisenden Ringbrennkammer ausgeführt, an dessen Ausstoßende ein aus einer Mehrzahl feststehender Leitschaufeln bestehendes Leitrad und stromabwärts des Leitrads ein Turbinenlaufrad angeordnet sind. Kühlmittel wird von einem in/an der Außenwand zur Durchströmung von Kühlmittel vorgesehenen ersten Hohlraum über in den Leitschaufeln vorgesehene erste Kanäle einem in/an der Innenwand zur Durchströmung von Kühlmittel gebildeten zweiten Hohlraum zugeführt.
-
Des Weiteren ist aus der
US 4 217 755 A eine luftgekühlte Gasturbinenmaschine mit einem Kühlluftsteuerventil bekannt, mittels dem ein Kompressoraustrittsluftstrom in Richtung eines Turbinenrotors in Übereinstimmung mit einem Kompressoraustrittsdruck und der Betriebstemperatur einer luftgekühlten Turbinenkomponente des Triebwerkes eingestellt wird.
-
Bei einer Fluggas- oder Industriegasturbine werden die im Bereich der Hochdruckturbine unmittelbar mit den heißen Gasen aus der Brennkammer beaufschlagten Leitschaufeln und die nachgeordneten Komponenten wie Turbinenscheiben und -schaufeln zur Kühlung mit vom Verdichter zugeführter Druckluft beaufschlagt. Ein von der vom Verdichter erzeugten Druckluft abgezweigter Druckluftstrom wird als Kühlluft zunächst teilweise dem der Brennkammer unmittelbar nachgeschalteten Leitschaufelkranz und teilweise dem Hochdruckturbinenrotor zugeführt und anschließend weitergeleitet. Während die Kühlluftzufuhr zu den Leitschaufeln von deren Außen- und Innenseite her erfolgt, wird die für die Kühlung des Rotors abgezweigte Verdichterluft (Hochdruckkühlluft, Primärkühlluft) über eine separate, mit dem Innengehäuse verbundene Vordralldüse und eine durch separate Dichtungen gegenüber den Turbinenschaufeln abgedichtete Ringkammer zur Turbinenscheibe und über in dieser ausgebildete Kühlbohrungen in die Turbinenschaufeln geleitet. Sofern im Sekundärluftsystem der Turbine Leckageluft, das heißt Sekundärluft oder Niedrigdruckluft, anfällt, wird diese an geeigneter Stelle ungenutzt und somit unter Energieverlust abgeblasen. Durch Vermischung der Sekundärluft mit Primärluft kommt es außerdem zu Mischungsverlusten und letztlich somit zu einem weiteren teilweisen Verlust der für die Verdichtung aufgewendeten Energie. Die Ausbildung der Dichtungen und Vordralldüsen aus mehreren Bauteilen hat darüber hinaus zum einen ein hohes Gewicht und hohe Fertigungskosten zur Folge und erfordert zum anderen die Auslegung des Sekundärluftsystems für Versagensfälle und damit einen mit erhöhten Verlusten verbundenen Kühlluftüberschuss.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung sowie ein gewichts- und kostengünstiges Leitschaufelsegment für die Hochdruckturbine eines Flugtriebwerks anzugeben und so auszubilden, dass der Kühlluftverbrauch und die Energieverluste insgesamt gesenkt werden und der Wirkungsgrad der Turbine verbessert wird.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Kühlanordnung in Verbindung mit den Leitschaufelsegmenten gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Der grundlegende Erfindungsgedanke besteht zum einen in der vom Primärluftstrom (Hockdruckluftstrom) getrennten und durch diesen nicht behinderten Zufuhr von Sekundärluft (Niedrigdruckkühlluft) zu den Leitschaufeln. Das wird durch einen an die Leitschaufeln und eine Niedrigdruckkammer abdichtend angeschlossenen und damit von den Hochdruckbereichen getrennten umlaufenden Niedrigdruckkanal erreicht, der aber von die Hochdruckbereiche, das heißt die benachbarten Randkammern, verbindenden Durchgangskanälen durchdrungen ist. Die getrennt zugeführte Sekundärluft kann somit ohne Behinderung durch die Primärluft und ohne dieser aufgrund einer Durchmischung Energie zu entziehen, als Kühlmedium für die Leitschaufeln genutzt werden. Dadurch kann der Kühlluftverbrauch insgesamt verringert und der Turbinenwirkungsgrad verbessert werden.
-
Gemäß einem weiteren wichtigen Erfindungsmerkmal sind der Niedrigdruckkanal, das heißt, das jedem Leitschaufelsegment zugeordnete Kanalsegment, und der dieses durchdringende Durchgangskanal sowie eine Vordralldüse und die erforderlichen Dichtungen, und zwar die Randkammerdichtungen zu den benachbarten Hochdruckbereichen und die mit dem rotierenden Dichtelement der nachfolgenden Turbinenscheibe zusammenwirkenden feststehenden Dichtelemente integrale, das heißt stoffschlüssig angeformte Bestandteile der zu einem Leitschaufelkranz zusammengesetzten Leitschaufelsegmente. Die dadurch bedingte geringe Zahl von Bauteilen verringert das Gesamtgewicht und mindert die Fertigungskosten.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur eine Teilansicht einer Hochdruckturbine mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung in Verbindung mit dem Leitschaufelsegment schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
-
Der Brennkammer 1 der Hochdruckturbine ist ein Leitschaufelkranz, bestehend aus einer Mehrzahl Leitschaufelsegmenten 2 nachgeschaltet. Jedes Leitschaufelsegment 2 umfasst eine zwischen einer inneren Schaufelplattform 3 und einer äußeren Schaufelplattform 4 eingespannte Leitschaufel 5 und zwei von der inneren Schaufelplattform 3 abstrebende, im Abstand angeordnete Trennwände 6 und 7. Die äußere Schaufelplattform 4 ist mit dem Außengehäuse 8 verbunden, während die innere Schaufelplattform 3 über die von dieser ausgehenden Trennwände 6 und 7 sowie eine erste und eine zweite Randkammerdichtung 9 und 10 an einer vom Innengehäuse 11 gebildeten, mit Niedrigdruck-Kühlluft bzw. Niederdruckluft versorgten Niedrigdruckkammer 12 abdichtend gehalten ist. Die Randkammerdichtungen 9 und 10 sind keine separaten Dichtelemente, sondern die Dichtungsfunktion ergibt sich allein durch eine kraftschlüssige axiale Abstützung der entsprechend ausgebildeten Enden der Trennwände 6, 7 an den umlaufenden Kanten (Ringen) der Niedrigdruckkammer 12. Das heißt, sowohl die Trennwände 6, 7 als auch die Randkammerdichtungen 9, 10 sind stoffschlüssig in die Leitschaufelsegmente 2 integriert. Die beiden Trennwände 6 und 7 begrenzen eine vor dem Leitschaufelkranz im Hochdruckbereich liegende erste Randkammer 13 bzw. eine im Hochdruckbereich vor der Turbinenscheibe 14 liegende zweite Randkammer 15 und bilden zusammen mit der inneren Schaufelplattform 3 einen an die Kühllufteintrittsöffnungen in der Leitschaufel 5 anschließenden Niederdruckkanal 16.
-
Zwischen den beiden Trennwänden 6 und 7 befindet sich ein diese durchdringender Hochdruckdurchgangskanal 17, der die beiden Randkammern 13 und 15 verbindet und auf der Seite der zweiten Randkammer 15 in einer Vordralldüse 23 mündet. Der Hochdruckdurchgangskanal 17 und die Vordralldüse 23 sind ebenfalls integrale Bestandteile des Leitschaufelsegments 2. In der Zeichnung ist weiterhin angedeutet, dass die Abdichtung der zweiten (hinteren) Randkammer 15 zu den Außenflächen der an der Turbinenscheibe 14 angebrachten Turbinenschaufeln 18, das heißt zum Schaufelringraum 21 hin mit einem von der Turbinenscheibe 14 ausgehenden und entsprechend rotierenden Dichtelement 19 sowie mit in die Leitschaufelsegmente 2 integrierten, feststehenden Dichtungsmitteln 20 erfolgt.
-
Das Leitschaufelsegment und die der Kühlanordnung zugeordneten Komponenten sind somit kostengünstig und gewichtssparend als einstückiges Bauteil ausgebildet.
-
Die vom Hochdruckverdichter (nicht dargestellt) der Fluggasturbine erzeugte Hochdruckluft (Primärluft) wird über den Diffusor 22 zum größten Teil in die Brennkammer 1 geleitet. Ein erster Teil der restlichen Primärluft strömt als Hochdruck-Kühlluft zwischen der Außenumfangsfläche der Brennkammer 1 und dem Außengehäuse 8 zur äußeren Schaufelplattform 4, das heißt, zur oberen Seite der Leitschaufelsegmente 2. Ein zweiter Teil der zur Kühlung zur Verfügung stehenden Hochdruck-Kühlluft strömt zwischen der Innenumfangsfläche der Brennkammer 1 und dem Innengehäuse 11 in die dem Niedrigdruckkanal 16 vorgelagerte, durch die Trennwand 6 begrenzte erste (vordere) Randkammer 13. Von dort gelangt die Hochdruck-Kühlluft über den Hochdruckdurchgangskanal 17 und die Vordralldüse 23 in die zweite (hintere) Randkammer 15 und damit zur Turbinenscheibe 14 und in die Kühlkanäle (nicht dargestellt) der Turbinenschaufeln 18. Es ist auch denkbar, dass über entsprechende Leitungen (nicht dargestellt) ein Teil der Hochdruck-Kühlluft aus dem Hochdruckdurchgangskanal 17 zur lokalen Leitschaufelkühlung verwendet wird.
-
Getrennt von der Hochdruckluft bzw. dem in den beiden Randkammern 13, 15 herrschenden Druck kann – aufgrund der oben erläuterten Ausbildung des Leitschaufelsegments 2 mit einem von dem Hochdruckdurchgangskanal 17 durchdrungenen, abgedichteten Niedrigdruckkanal 16 – in der Niedrigdruckkammer 12 bereitstehende Sekundärluft als Niedrigdruck-Kühlluft genutzt und – ohne Mischung mit der Hochdruck-Kühlluft, das heißt, einerseits ohne Energieentzug von diesem und andererseits ohne Behinderung des Niedrigdruckluftstroms – der Leitschaufel 5 bzw. den in dieser ausgebildeten Kühlkanälen (nicht dargestellt) zugeführt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennkammer
- 2
- Leitschaufelsegment
- 3
- Innere Schaufelplattform
- 4
- Äußere Schaufelplattform
- 5
- Leitschaufel
- 6
- Trennwand
- 7
- Trennwand
- 8
- Außengehäuse
- 9
- Randkammerdichtung
- 10
- Randkammerdichtung
- 11
- Innengehäuse
- 12
- Niedrigdruckkammer
- 13
- Erste (vordere) Randkammer
- 14
- Turbinenscheibe
- 15
- Zweite (hintere) Randkammer
- 16
- Niedrigdruckkanal
- 17
- Hochdruckdurchgangskanal
- 18
- Turbinenschaufel
- 19
- Rotierendes Dichtelement
- 20
- Feststehende Dichtungsmittel
- 21
- Schaufelringraum
- 22
- Diffusor
- 23
- Vordralldüse
- 24
- Kühllufteintrittsöffnung
