DE102010063071A1

DE102010063071A1 - Kühlvorrichtung für ein Strahltriebwerk

Info

Publication number: DE102010063071A1
Application number: DE102010063071A
Authority: DE
Inventors: Sacha Pichel
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14
Also published as: US9657592B2; WO2012080332A3; US20130302143A1; WO2012080332A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für ein Strahltriebwerk mit einem Axialkompressor mit mehreren Verdichterstufen, umfassend einen Rotor mit Rotorschaufeln, einen Stator mit Statorschaufeln und einen Ringraum. Um die Temperatur der Komponenten am Auslass des Hochdruckkompressors durch einfache Maßnahmen zu reduzieren und damit die Effizienz eines Strahltriebwerks zu steigern, ist vor der letzten Verdichterstufe (9) des Axialkompressors eine den Rotor (5) umgebende schlitzartige Abzweigöffnung (1) für einen vom Hauptluftstrom (11) abgezweigten Kühlluftstrom (12) in einen ersten Hohlraum (3) vor dem Rotor (5) vorgesehen ist, wobei im Rotor (5) Durchlassöffnungen (2, 2') zur Weiterleitung des abgezweigten Kühlluftstroms (12) aus dem ersten Hohlraum (3) in einen zweiten Hohlraum (4) hinter dem Rotor (5) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für ein Strahltriebwerk mit einem Axialkompressor mit mehreren Verdichterstufen, umfassend einen Rotor mit Rotorschaufeln, einen Stator mit Statorschaufeln und einen Ringraum.
Bei Strahltriebwerken wird der Luftmassenstrom vor dem Eintritt in die Brennkammer verdichtet. Moderne Strahltriebwerke mit Axialverdichter besitzen mehrere Verdichterstufen. Eine Verdichterstufe eines Axialverdichters besteht aus einer Rotorstufe, in der sowohl Druck und Temperatur als auch die Geschwindigkeit steigen, und einer Statorstufe, in der der Druck zu Ungunsten der Geschwindigkeit steigt. Die Statorstufen sind fest mit der Innenseite des Verdichtergehäuses verbunden.
Die hohe Kompression der Luft in den aufeinanderfolgenden Verdichterstufen verursacht einen starken Temperaturanstieg. Erfahrungsgemäß liegt bei einem Strahltriebwerk mit Hochdruckkompressor (High Pressure Compressor = HPC) die Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Stufen bei etwa 50°C, wodurch die komprimierte Luft die letzte Verdichterstufe mit Temperaturen von bis zu 600°C verlässt. Die so verdichtete und erhitzte Luft strömt anschließend in die Brennkammer, in der Brennstoff zugeführt wird.
Die Temperaturen von bis zu 600°C nach der letzten Verdichterstufe sind der Festigkeit der Materialien abträglich. Der Rotor erfährt, im Besonderen durch Wärmeleitung von den Rotorschaufeln, eine höhere Relativtemperatur als der Stator und die weiteren statischen Komponenten. Darüber hinaus erfährt der Rotor, neben den höheren Relativtemperaturen, rotationsbedingt eine hohe mechanische Beanspruchung.
Aus der DE 103 31 834 A1 ist vorbekannt, dass der Wärmegehalt der hochkomprimierten Verbrennungsluft eines Motors oder eines Triebwerks durch den Einsatz von Kühlern vermindert und somit die Effizienz gesteigert werden kann.
Die DE 602 21 558 T2 beschreibt ein Triebwerk mit Turbinenschaufel, bei dem Luft aus einem Mitteldruckteil des Axialkompressors abgezweigt und zur Turbinenschaufel geführt wird, um diese zu kühlen.
Mit diesen Lösungen ist eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads möglich. Die bekannten Lösungen zur Kühlung der Kompressorluft und der Triebwerkskomponenten haben allerdings den Nachteil, dass die Komplexität und das Gewicht der Turbine zunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur der Komponenten am Auslass des Hochdruckkompressors eines Strahltriebwerks durch einfache Maßnahmen zu reduzieren und damit die Effizienz, d. h. die Wirtschaftlichkeit und die Leistungsfähigkeit, eines Strahltriebwerks zu steigern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass vor der letzten Verdichterstufe des Axialkompressors eine den Rotor umgebende schlitzartige Abzweigöffnung für einen vom Hauptluftstrom abgezweigten Kühlluftstrom in einen ersten Hohlraum vor dem Rotor der letzten Verdichterstufe vorgesehen ist, wobei der Hohlraum auch Bestandteil des Rotors sein kann, und dass im Rotor Durchlassöffnungen zur Weiterleitung des abgezweigten Kühlluftstroms aus dem ersten Hohlraum in einen zweiten Hohlraum hinter dem Rotor angeordnet sind. Somit wird der Auslassbereich des Axialkompressors mit kühlerer Luft einer vorhergehenden Stufe versorgt.
Aufgrund der Differenz der Rotordurchmesser der letzten Verdichterstufe und der davor angeordneten Verdichterstufe wird die Abzweigöffnung als Stufe ausgebildet. Diese Stufe ragt in den Ringraum hinein und leitet einen Teil des Hauptluftstroms als Kühlluftstrom aus dem Ringraum hinaus.
Die Durchlassöffnungen sind konzentrisch zur Rotorachse angeordnet und können schräg-axial durch den Rotor verlaufen. Die Ringraumbegrenzung zwischen Rotor und Stator ist zur Vermeidung von Rückströmungen als Spaltdichtung ausgebildet.
In einer Ausführungsform der Kühlvorrichtung ist im ersten Hohlraum zwischen dem Rotor und dem Stator ein Hitzeschild mit Dichtlippen und Hitzeschildöffnungen ausgebildet. Der Kühlluftstrom wird durch die Hitzeschildöffnungen und durch Durchlassöffnungen an den axialen Schaufelbefestigungen der Rotorschaufeln in den zweiten Hohlraum geleitet.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, dass durch einfache konstruktive Maßnahmen die Werkstofftemperaturen der Komponenten am Ende des Hochdruckverdichters reduziert werden können und somit der Einsatz von kostengünstigeren Materialien gegeben ist. Bei Beibehaltung der bisherigen Materialien ist eine Steigerung der Temperaturen am Kompressorauslass und damit des Wirkungsgrades möglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Vergleich zu vorbekannten Lösungen zur Luftkühlung ein geringerer Druckverlust verzeichnet wird. Zudem ist im Vergleich zu vorbekannten Lösungen ein Gewichtsvorteil gegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung eines Strahltriebwerks im Bereich der letzten Verdichterstufe wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigt
1 einen Ausschnitt aus einem Triebwerk im Bereich der letzten Verdichterstufe im Teilschnitt,
2 einen vergrößerten Ausschnitt des in 1 gezeigten Triebwerks im Bereich der letzten Verdichterstufe im Teilschnitt,
3 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform der ringförmig angeordneten Durchlassöffnungen und
4 einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Triebwerks im Bereich der letzten Verdichterstufe im Teilschnitt.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Axialkompressors eines Strahltriebwerks als Teilschnitt, umfassend einen Rotor 5 mit Rotorschaufeln 7, einen Stator 6 mit Statorschaufeln 8 und einen Ringraum 10. Die Rotationsachse des Strahltriebwerks befindet sich unterhalb des Ausschnitts und ist nicht gezeigt. Durch die vorhergehenden Verdichterstufen wird der Druck des Hauptluftstroms 11 im Ringraum 10 erhöht. Vor der letzten Verdichterstufe 9 des Axialkompressors ist am Ringraum 10 eine den Rotor 5 umgebende, schlitzartige Abzweigöffnung 1 ausgebildet, die stufenförmig in den Ringraum 10 hineinragt und einen Teil des Hauptluftstroms 11 als Kühlluftstrom 12 in einen ersten Hohlraum 3 vor dem Rotor 5 der letzten Verdichterstufe 9 leitet. Der Hohlraum 3 kann auch Bestandteil des Rotors 5 sein. Der abgezweigte Luftmassenstrom der Kühlluft 12 sorgt aufgrund der kinetischen Energie der Luft für die Ausbildung eines Staudrucks im unter der Stufe 16 befindlichen ersten Hohlraum 3. Die komprimierte Kühlluft 12 wird durch konzentrisch zur Rotorachse angeordnete Durchlassöffnungen 2 im Rotor 5 in den zweiten Hohlraum 4 hinter der letzten Verdichterstufe 9 geführt und kühlt dort den Rotor 5 und den Stator 6. Gleichzeitig werden die radialen Schaufelbefestigungen 14 gekühlt, die im Rotor 5 ausgebildet ist. Eine Spaltdichtung 13 verhindert, dass die etwa 50°C heißere Luft des Hauptluftstroms 11 nach der letzten Verdichterstufe 9 in den zweiten Hohlraum 4 gelangt.
Die 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der 1. Aufgrund der Differenz der Rotordurchmesser der letzten Verdichterstufe 9 und der davor angeordneten Verdichterstufe wird die Abzweigöffnung 1 im Ringraum 10 als Stufe 16 ausgebildet. Die in den ersten Hohlraum 3 einströmende Kühlluft 12 gelangt durch die axial, d. h. in Achsrichtung, angeordneten Durchlassöffnungen 2 im Rotor 5 in den zweiten Hohlraum 4. Am Rotor 5 sind mittels der radialen Schaufelbefestigungen 14 die Rotorschaufeln 7 fixiert. Die Statorschaufeln 8 sind mit dem Stator 6 fest verbunden. Zwischen Rotor 5 und Stator 6 ist die Spaltdichtung 13 ausgebildet, die ein Einströmen von heißer Luft aus dem Hauptluftstrom 11 nach der letzten Verdichterstufe 9 in den zweiten Hohlraum 4 verhindert. Durch das dezentrale Einströmen der Kühlluft 12 in den zweiten Hohlraum 4 kann die Luft im zweiten Hohlraum 4 zirkulieren.
Die 3 zeigt schematisch in axialer Ansicht eine Ausführungsform der ringförmig im Rotor 5 angeordneten Durchlassöffnungen 2. Diese sind konzentrisch zur Rotorachse angeordnet und verlaufen schräg-axial durch den Rotor 5, wodurch die Luft gerichtet in den zweiten Hohlraum 4 einströmt und somit einen Vordrall erhält, wodurch die Zirkulation des Kühlluftstroms 12 weiter verbessert wird.
Zudem kühlt die Luft die durchströmten Komponenten und den durchströmten Rotor 5.
Die 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung eines Strahltriebwerks im Bereich der letzten Verdichterstufe 9. Die schlitzartige Abzweigöffnung 1 im Ringraum 10 kann hierbei auch als Stufe 16 ausgebildet sein. Im ersten Hohlraum 3 ist ein Hitzeschild 17 mit Dichtlippen 18 und Hitzeschildöffnungen 19 angeordnet. Durch die Hitzeschildöffnungen 19 im Hitzeschild 17 strömt Kühlluft 12 aus dem ersten Hohlraum 3 zum Fuß der Rotorschaufeln 7 mit axialen Schaufelbefestigungen 15 und durch die Durchlassöffnungen 2' in den zweiten Hohlraum 4. Die Durchlassöffnungen 2' werden bei dieser Ausführungsform durch Spaltöffnungen im Bereich der axialen Schaufelbefestigungen 15 gebildet.
Durch das dezentrale Einströmen der Kühlluft 12 in den zweiten Hohlraum 4 kann die Luft im zweiten Hohlraum 4 zirkulieren. Die Spaltdichtung 13 ist so ausgebildet, dass ein Einströmen von heißer, komprimierter Luft aus dem Hauptluftstrom 11 vom Ringraum 10 in den Hohlraum 4 verhindert wird. Zudem wird mit der Spaltdichtung 13 das Rückströmen der Kühlluft 12 in den Ringraum 10 unterbunden.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform besitzt den Vorteil, dass die Erfindung mit konventionellen axialen Schaufelfußbefestigungen 15 verwendet werden kann.
Vorteilhafter ist weiterhin, dass die an den zweiten Hohlraum 4 angrenzenden Komponenten, beispielsweise der Rotor 5 und der Stator 6, von Kühlluft 12 umspült werden. Der Kühlluftstrom 12 kann darüber hinaus zum Kühlen von weiteren Triebwerkskomponenten genutzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Abzweigöffnung
2, 2': Durchlassöffnungen
3: Erster Hohlraum
4: Zweiter Hohlraum
5: Rotor
6: Stator
7: Rotorschaufeln
8: Statorschaufeln
9: Letzte Verdichterstufe
10: Ringraum (Annulus)
11: Hauptluftstrom
12: Kühlluftstrom
13: Spaltdichtung
14: Radiale Schaufelbefestigungen
15: Axiale Schaufelbefestigungen
16: Stufe
17: Hitzeschild
18: Dichtlippe
19: Hitzeschildöffnungen

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 10331834 A1 [0005]
DE 60221558 T2 [0006]

Claims

Kühlvorrichtung für ein Strahltriebwerk mit einem Axialkompressor mit mehreren Verdichterstufen, umfassend einen Rotor (5) mit Rotorschaufeln (7), einen Stator (6) mit Statorschaufeln (8) und einen Ringraum (10), dadurch gekennzeichnet, dass vor der letzten Verdichterstufe (9) des Axialkompressors eine den Rotor (5) umgebende schlitzartige Abzweigöffnung (1) für einen vom Hauptluftstrom (11) abgezweigten Kühlluftstrom (12) in einen ersten Hohlraum (3) vor dem Rotor (5) vorgesehen ist und dass im Rotor (5) Durchlassöffnungen (2, 2') zur Weiterleitung des abgezweigten Kühlluftstroms (12) aus dem ersten Hohlraum (3) in einen zweiten Hohlraum (4) hinter dem Rotor (5) angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassöffnungen (2) schräg-axial durch den Rotor (5) verlaufen und konzentrisch zur Rotorachse angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Hohlraum (3) zwischen dem Rotor (5) und dem Stator (6) ein Hitzeschild (17) mit Dichtlippen (18) und Hitzeschildöffnungen (19) ausgebildet ist und dass der Kühlluftstrom (12) durch die Hitzeschildöffnungen (19) und durch Durchlassöffnungen (2') an den axialen Schaufelbefestigungen (15) der Rotorschaufeln (7) in den zweiten Hohlraum (4) geleitet wird.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzartige Abzweigöffnung (1) als Stufe (16) ausgebildet ist, die in den Ringraum (10) hineinragt.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringraumbegrenzung zwischen Rotor (5) und Stator (6) als Spaltdichtung (13) ausgebildet ist.