DE102010020800A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine oder dergleichen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine oder dergleichen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine oder dergleichen, mit statischen und rotierenden Bauelementen und mit in dieser ausgebildeten Kühlluftkanälen. Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades und zur Gewährleistung ausreichender zuverlässiger Kühlung der kritischen Bereiche sieht die Erfindung vor, dass zwischen einem Kühlluftkanal (3) und einer Versorgungsstelle (13) für die Kühlluft (7) in einem Bauelement (6) des Triebwerks ein Verschlusselement (4) angeordnet ist, das beim Überschreiten einer Grenztemperatur der Versorgungsstelle (13) einen Kühlluftdurchgang (14) öffnet, durch den eine zusätzliche Menge an Kühlluft (7) gezielt der Versorgungsstelle (13) zugeführt wird. (1)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine oder dergleichen mit statischen und rotierenden Bauelementen und mit in diesen ausgebildeten Kühlluftkanälen.
  • Um die technische Unversehrtheit eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine zu gewährleisten, dürfen die Maximaltemperaturen aller Bauteile bestimmte Grenzen nicht überschreiten. Die Materialtemperaturen haben entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer von Bauteilen, die gegebenen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
  • Aus dem Fachbuch Thermische Turbomaschinen, Bd. 1: Thermodynamisch-strömungstechnische Berechnungen von Walter Traupel, Springer-Verlag, 4. Auflage, 2001, S. 78–79 ist es bekannt, dass bei derzeitigen Gasturbinen stets ein Teilstrom der Luft abgezweigt, als Kühlluft für Teile des Läufers und der Schaufelung benutzt und dann im Laufe der Expansion dem Gas beigemischt wird.
  • Die dabei auftretenden Verluste hängen hauptsächlich an der Tatsache, dass die Kühlluft mittels technischer Leistung komprimiert, aber nicht erhitzt wird und Druckverluste isenthalp ohne Leistungsabgabe an den Rotor stattfinden. Die genauen Verluste bei der Einmischung in den Hauptgaskanal sind aktueller Forschungsgegenstand. Stand der Technik in der Leistungsrechnung sind eindimensionale Enthalpiebilanzen.
  • Durch die Kühlluft, die auch als Zapfluft oder „Bleed Air” bezeichnet wird, werden die Materialtemperaturen unter den maximal zulässigen Temperaturen gehalten. Die Menge an zur Verfügung gestellter Kühlluft wird bei der Konstruktion von Triebwerken durch Dimensionierung der Kühlluftkanäle definiert. Die Kühllufttemperatur liegt in der Regel im Bereich von 600 bis 700°C.
  • Die Turbinenkühlung erfolgt somit durch Luftströme, die nicht direkt an der Energiewandlung beteiligt sind. Diese Luftströme verringern die Effizienz des Triebwerks und sollen daher minimiert werden.
  • Demgegenüber sind die kritischen Bauteile einer Gasturbine, speziell eines Flugtriebwerks, vor heißen Gasen aus dem Ringraum der Turbine, auch Annulus genannt, zu schützen.
  • Die Sicherheitsanforderungen für Flugtriebwerke erfordern es, dass die inneren Strukturen in allen möglichen Betriebszuständen ausreichend gekühlt werden.
  • Nach DE 10 2008 044 495 A1 ist die Zweckbestimmung der Kühlluft unter anderem eine Spülströmung, z. B. im ersten Radraum, um eine Aufnahme von heißem Gas zu verhindern und die Kühlung kritischer Bauteile zu gewährleisten. Zu den kritischen statischen und dynamischen Triebwerksstrukturen gehören auch Brennkammern, Turbinenscheiben, Verdichter-Ankerbolzen, Rotorarme, der Radseitenraum oder der Ringspalt. Bei einigen Ausführungen von Gasturbinen ist die Größe der Luftströmung im Hochdruckverdichtungskreis auf Grund der Bauteil-Temperaturanforderungen höher als die Anforderungen zur Radraumspülung. Daher sollte eine ideale Lösung die gesamte Kreislaufströmung auf ein Niveau reduzieren, das die Anforderungen zur Radraumspülung erfüllt, während die kritischen Bauteile auf den gewünschten Temperaturerfordernissen gehalten werden.
  • Die Menge der zur Verfügung gestellten Kühlluft muss alle potentiellen Umgebungs- und Betriebsbedingungen, Verschleiß, Herstellungstoleranzen sowie mögliche Versagensfälle – die nicht komplett für ein Triebwerk ausgeschlossen werden können, aber beim Durchschnittstriebwerk erfahrungsgemäß nicht auftreten – abdecken. Bedingt durch Sicherheitsüberlegungen wird – mit der Konsequenz eines reduzierten Triebwerkswirkungsgrads – ein Triebwerk in der Regel mit überschüssiger Kühlluft gefahren.
  • Gleichwohl können einige Komponenten, wie z. B. Turbinenscheiben, aus dem Triebwerk während eines möglichen Schadens herausgeschleudert werden, was gefährliche oder gar katastrophale Konsequenzen haben kann. Dies bedeutet, dass ausreichende Mengen an Kühlluft benötigt werden, um einen sicheren Betrieb des Triebwerks zu gewährleisten. Eine bevorzugte Lösung sollte in der Lage sein, mit stark variierenden Umgebungs- und Turbinen-Betriebsbedingungen umzugehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlluftversorgung für ein Flugtriebwerk, eine Gasturbine od. dgl. zu schaffen, wobei der Gesamtwirkungsgrad verbessert und eine ausreichende zuverlässige Kühlung der kritischen Bereiche gewährleistet werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine oder dergleichen, mit statischen und rotierenden Bauelementen und mit an diesen ausgebildeten Kühlluftkanälen, wobei ein zwischen einem Kühlluftkanal und einer Versorgungsstelle für die Kühlluft in einem Bauelement des Triebwerks angeordnetes Verschlusselement beim Überschreiten einer Grenztemperatur der Versorgungsstelle einen Kühlluftdurchgang öffnet, durch den eine zusätzliche Menge an Kühlluft gezielt der Versorgungsstelle zugeführt wird.
  • Diese Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine oder dergleichen, mit statischen und rotierenden Bauelementen und mit in diesen ausgebildeten Kühlluftkanälen, bei welchen zwischen einem Kühlluftkanal und einer Versorgungsstelle für die Kühlluft in statischen und rotierenden Bauelementen des Triebwerks ein Verschlusselement angeordnet ist, das beim Überschreiten einer Grenztemperatur der Versorgungsstelle einen Kühlluftdurchgang öffnet, durch den eine zusätzliche Menge an Kühlluft gezielt der Versorgungsstelle zugeführt wird.
  • Es handelt sich dabei um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlluftversorgung, wodurch, falls ein bestimmtes Temperaturniveau lokal während eines einzelnen Ereignisses überschritten wird, ab diesem Zeitpunkt der Versorgungsstelle eine zusätzliche Menge an Kühlluft aus den Kühlluftkanälen selbsttätig zur Verfügung gestellt wird. Der Vorteil dieser Ausführung besteht in der möglichen Reduktion der bisher überschüssig gefahrenen Kühlluft.
  • Die Vorrichtung muss nicht zwangsläufig in einem statischen Bauelement installiert sein, sie kann auch in einem rotierenden Bauelement angeordnet sein. Eine Realisierung in einem statischen Bauelement ist aber verhältnismäßig einfach möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist als Vorrichtung zur Kühlluftversorgung das Verschlusselement mit statischen oder rotierenden Bauelementen des Triebwerks stoffschlüssig verbunden. Beim Erreichen einer Grenztemperatur löst sich die stoffschlüssige Verbindung auf, und das Verschlusselement gibt zur Versorgungsstelle einen Kühlluftdurchgang frei, durch den eine zusätzliche Menge an Kühlluft der Versorgungsstelle gezielt zugeführt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Sollbruchstelle zwischen einem Bauelement des Triebwerks und dem Verschlusselement angeordnet. Die Sollbruchstelle bricht beim Erreichen einer Grenztemperatur und gibt einen Kühlluftdurchgang frei, durch den eine zusätzliche Menge an Kühlluft der Versorgungsstelle gezielt zugeführt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zerstört ein Aktuator durch thermische Ausdehnung eine im Verschlusselement vorgesehene Sollbruchstelle, was wiederum einen Kühlluftdurchgang freigibt (gegebenenfalls mittels Getriebe) und dadurch die zusätzliche Menge an Kühlluft durch den Kühlluftdurchgang der Versorgungstelle gezielt zugeführt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verdampft das Verschlusselement in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur an der Versorgungsstelle, wodurch eine zusätzliche Menge an Kühlluft durch einen Kühlluftdurchgang der Versorgungsstelle gezielt zugeführt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ändert sich die Beschaffenheit des Verschlusselements in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur an der Versorgungsstelle durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten, wodurch eine zusätzliche Menge an Kühlluft durch einen Kühlluftdurchgang der Versorgungsstelle gezielt zugeführt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besitzt das Verschlusselement einen elektrischen Aktuator, der in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Versorgungsstelle dieser eine zusätzliche Menge an Kühlluft durch einen Kühlluftdurchgang gezielt zuführt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besitzt das Verschlusselement eine Temperaturmessvorrichtung mit Regeleinheit, die in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur an der Versorgungsstelle eine zusätzliche Menge an Kühlluft durch einen Kühlluftdurchgang der Versorgungsstelle geregelt zuführt.
  • Das zugrunde liegende Prinzip einer Vorrichtung zur Kühlluftversorgung kann durch weitere Konstruktionslösungen erreicht werden. So ist auch eine elektrische oder elektronische Temperatursonde mit Schalter oder jedes andere Temperaturmessgerät, das eine Regeleinheit besitzt, denkbar, um die zusätzliche Kühlluft durch einen entsprechenden Aktuator der Versorgungsstelle zuzuführen.
  • Ebenso möglich ist es, dass ein Verschlusselement oder Aktuator, versagt, bricht, zerreißt od. dgl., z. B. in Form einer Sollbruchstelle, einer delaminierenden oder aufblätternden Fügestelle od. dgl. oder seine Beschaffenheit, bedingt durch das umgebende Temperaturniveau, ändert, z. B. durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten, Verdampfen, Verbrennen oder dergleichen, und diesen Zustand direkt oder durch eine zweckentsprechende Übertragung, z. B. einen Stab, Flüssigkeit in einem Rohr od. dgl., zu einer Regeleinrichtung für die Durchflusskühlung, z. B. Abdeckstopfen, Absperrhahn od. dgl., überträgt.
  • Weiterhin ist eine Ausführung möglich, bei der ein elektrischer Temperaturschalter, eine Temperatursonde oder jede andere Temperaturmesseinrichtung direkt die Versorgung mit zusätzlicher Kühlluft durch einen entsprechenden Aktuator auslöst.
  • Das Verschlusselement bleibt nach Aktivierung bis zur Wartung geöffnet. Alle Teile des Verschlusselements, die nach dem Aktivieren der Vorrichtung das Triebwerk intern beschädigen können, werden durch eine Haltevorrichtung fixiert. Bei einem elektrisch gesteuertem Aktuator ist eine Rückstellung bei Unterschreiten der Grenztemperatur denkbar.
  • Als Beispiel für die statischen und rotierenden Bauelemente des Flugtriebwerks wird die Anordnung eines oder mehrerer Verschlusselemente in der statischen Struktur des Triebwerks beschrieben.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigt
  • 1 einen Teillängsschnitt durch ein Flugtriebwerk mit zwei erfindungsgemäßen Verschlusselementen in der statischen Struktur des Flugtriebwerks,
  • 2a einen prinzipiellen Teillängsschnitt durch ein Flugtriebwerk gemäß 1 mit einem Verschlusselement mit stoffschlüssiger Verbindung zur statischen Struktur in geschlossener Stellung,
  • 2b den prinzipiellen Teillängsschnitt durch ein Flugtriebwerk gemäß 2a mit Darstellung der Wirkung des geöffneten Verschlusselements,
  • 3a einen prinzipiellen Teillängsschnitt durch ein Flugtriebwerk gemäß 1 mit einem Verschlusselement mit Sollbruchstelle in geschlossener Stellung und
  • 3b den prinzipiellen Teillängsschnitt durch ein Flugtriebwerk gemäß 3a mit Darstellung der Wirkung des geöffneten Verschlusselementes.
  • Gemäß 1 befindet sich oberhalb der Ringspalte 1 eines Flugtriebwerkes zwischen Turbinenscheibe 5 und statischer Struktur 6 Heißgas 8 in einem Ringraum 2. Durch einen Kühlluftkanal 3 in einer Turbinenschaufel 9 strömt Kühlluft 7 zur Kühlung der inneren Halteteile 12. Zu den inneren Halteteilen 12 zählen unter anderem die Turbinenscheiben 5 und statische Strukturen 6, z. B. in Form eines Rotorarms. In der statischen Struktur 6 ist ein Kühlluftdurchgang 14 ausgebildet, in dem ein Verschlusselement 4 angeordnet ist, das in 1 als „Dummy-Element” gezeigt ist, um die Triebwerksausführung zu verdeutlichen und in den 2 und 3 in zwei Ausführungsbeispielen näher dargestellt ist. So kann sich beispielsweise das durch eine stoffschlüssige Verbindung 10 fixierte Verschlusselement 4 bei Erreichen einer Grenztemperatur auflösen und den Kühlluftdurchgang 14 freigeben, durch den die Kühlluft 7 unmittelbar zur Versorgungsstelle 13 gelangt.
  • Die 2 und 3 zeigen in Schnittdarstellung die beiden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlluftversorgung. Die Kühlluft 7 wirkt dem Eindringen von Heißgas 8 aus dem Ringraum 2 in den Ringspalt 1 zwischen einer Turbinenscheibe 5 und einer statischen Struktur 6 entgegen.
  • 2a und 2b zeigen ein als Pfropfen ausgebildetes Verschlusselement 4, das mit einer statischen Struktur 6 durch eine stoffschlüssige Verbindung 10 verbunden ist. Unterhalb einer Grenztemperatur hält das Verschlusselement 4 den Kühlluftdurchgang 14 verschlossen, wie in 2a dargestellt. 2b zeigt, dass bei Erreichen der Grenztemperatur am Verschlusselement 4 durch Schmelzen der stoffschlüssigen Verbindung 10, Aufblättern oder Verbrennen des Verschlusselements 4 der Kühlluftdurchgang 14 freigegeben wird, so dass Kühlluft 7 der Versorgungsstelle 13 gezielt zugeführt wird.
  • 3a und 3b zeigen ein als Pfropfen ausgebildetes Verschlusselement 4, das mit einer statischen Struktur 6 durch eine Sollbruchstelle 11 verbunden ist. Unterhalb einer Grenztemperatur hält das Verschlusselement 4 den Kühlluftdurchgang 14 verschlossen, wie in 3a gezeigt. Bei Erreichen der Grenztemperatur am Verschlusselement 4 wird durch Brechen, Delaminieren oder Aufblättern der Sollbruchstelle 11 der Kühlluftdurchgang 14 freigegeben, so dass Kühlluft 7 der Versorgungsstelle 13 gezielt zugeführt wird, wie es in 3b dargestellt ist.
  • Das Verschlusselement 4 bleibt nach Aktivierung bis zur Wartung geöffnet. Alle Teile des Verschlusselements 4, die nach dem Aktivieren der Vorrichtung das Triebwerk intern beschädigen können, werden durch eine nicht dargestellte Haltevorrichtung fixiert. Bei einem elektrisch gesteuertem Aktuator ist eine Rückstellung beim Unterschreiten der Grenztemperatur denkbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ringspalt
    2
    Ringraum
    3
    Kühlluftkanal
    4
    Verschlusselement
    5
    Turbinenscheibe
    6
    Statische Struktur (Bauelement)
    7
    Kühlluft
    8
    Heißgas
    9
    Turbinenschaufel
    10
    Stoffschlüssige Verbindung
    11
    Sollbruchstelle
    12
    Innere Halteteile
    13
    Versorgungsstelle
    14
    Kühlluftdurchgang
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008044495 A1 [0009]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Thermische Turbomaschinen, Bd. 1: Thermodynamisch-strömungstechnische Berechnungen von Walter Traupel, Springer-Verlag, 4. Auflage, 2001, S. 78–79 [0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine oder dergleichen, mit statischen und rotierenden Bauelementen und mit in diesen ausgebildeten Kühlluftkanälen, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen einem Kühlluftkanal und einer Versorgungsstelle für die Kühlluft in einem Bauelement des Triebwerks angeordnetes Verschlusselement beim Überschreiten einer Grenztemperatur der Versorgungsstelle einen Kühlluftdurchgang öffnet, durch den eine zusätzliche Menge an Kühlluft gezielt der Versorgungsstelle zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator eine Sollbruchstelle zerstört, wodurch einen Kühlluftdurchgang freigegeben und die zusätzliche Menge an Kühlluft durch den Kühlluftdurchgang der Versorgungsstelle zugeführt wird.
  3. Vorrichtung zur Kühlluftversorgung für ein Triebwerk, insbesondere Flugtriebwerk, Gasturbine oder dergleichen, mit statischen und rotierenden Bauelementen und mit in diesen ausgebildeten Kühlluftkanälen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Kühlluftkanal (3) und einer Versorgungsstelle (13) für die Kühlluft (7) in einem Bauelement (6) des Triebwerks ein Verschlusselement (4) angeordnet ist, das beim Überschreiten einer Grenztemperatur der Versorgungsstelle (13) einen Kühlluftdurchgang (14) öffnet, durch den eine zusätzliche Menge an Kühlluft (7) gezielt der Versorgungsstelle (13) zugeführt wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschlusselement (4) in einem Bauelement (6) des Triebwerks eine stoffschlüssige Verbindung (10) angeordnet ist, die beim Erreichen der Grenztemperatur gelöst wird und den Kühlluftdurchgang (14) zur Versorgungsstelle (13) öffnet, durch den die zusätzliche Menge an Kühlluft (7) gezielt der Versorgungsstelle (13) zugeführt wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Verschlusselement (4) in einem Bauelement (6) des Triebwerks eine Sollbruchstelle (11) vorgesehen ist, die beim Erreichen der Grenztemperatur bricht und den Kühlluftdurchgang (14) zur Versorgungsstelle (13) öffnet, durch den die zusätzliche Menge an Kühlluft (7) gezielt der Versorgungsstelle (13) zugeführt wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaffenheit des Verschlusselements (4) sich in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur an der Versorgungsstelle (13) durch Verdampfen ändert und dadurch die zusätzliche Menge an Kühlluft (7) durch den Kühlluftdurchgang (14) der Versorgungsstelle (13) zugeführt wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaffenheit des Verschlusselements (4) sich in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur an der Versorgungsstelle (13) durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten ändert und dadurch die zusätzliche Menge an Kühlluft (7) durch den Kühlluftdurchgang (14) der Versorgungsstelle (13) zugeführt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschlusselement (4) ein elektrischer Aktuator vorgesehen ist, der die zusätzliche Menge Kühlluft (7) durch den Kühlluftdurchgang (14) der Versorgungsstelle (13) zuführt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschlusselement (4) ein Temperaturmessgerät mit Regelfunktion vorgesehen ist, das so gesteuert ist, dass die zusätzliche Menge an Kühlluft (7) durch den Kühlluftdurchgang (14) der Versorgungsstelle (13) geregelt zugeführt wird.
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