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Die Erfindung betrifft eine Verdichtervorrichtung für eine Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Verdichtervorrichtungen werden beispielsweise in Strahltriebwerken eingesetzt.
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Axialverdichter bestehen üblicherweise aus einer Mehrzahl von Verdichterstufen, die jeweils eine Rotorstufe und eine Statorstufe umfassen, die unmittelbar hintereinander geschaltet sind. An der Rotorstufe sind eine Vielzahl von aerodynamisch geformten Körpern angeordnet, die als Laufschaufeln bezeichnet werden. Ebenso sind an der Statorstufe eine Vielzahl aerodynamisch geformter Körper angeordnet, die als Leitschaufel bezeichnet werden. Die Laufschaufeln und die Leitschaufeln befinden sich alternierend in einem Strömungskanal des Verdichters.
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Innerhalb eines Verdichters nimmt die Temperatur der Verdichterluft von Verdichterstufe zu Verdichterstufe zu. Dies führt dazu, dass insbesondere der Rotorkörper der in Strömungsrichtung letzten Verdichterstufe sehr heißen Verdichtungsgasen ausgesetzt ist, die zu einer Schädigung des Rotorkörpers führen können. So kann insbesondere die bei einer thermisch hochbelasteten Rotorstufe auftretende Kombination einer hohen Temperatur mit dem Wirken der Zentrifugalkraft auf das Material des Rotorkörpers zu einer Schädigung bzw. einem Verschleiß des Rotorkörpers führen.
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Dieses Problem wird dadurch zugespitzt, dass es üblich ist, hinter der letzten Rotorstufe Verdichterluft in einen sich stromabwärts erstreckenden Kühlkanal strömen zu lassen, der der Versorgung stromabwärts liegender Triebwerkskomponenten wie beispielsweise Turbinenkomponenten dient. Ein Teil der Verdichterluft wird dabei in einen solchen Kühlkanal abgezweigt, bevor sie die letzte Statorstufe passiert. Die hinter der letzten Rotorstufe abgezweigte Verdichterluft hoher Temperatur kommt unmittelbar großflächig mit dem Rotorkörper bzw. diesen bildenden Bauteilen in Kontakt.
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Die genannten Probleme gewinnen zunehmend an Bedeutung, da tendenziell immer höhere Verdichtungstemperaturen in Axialverdichtern bereitgestellt werden. Der Schutz der Bauteile gegen Heißgas stellt daher ein ernstes Anliegen bei der Weiterentwicklung bekannter Axialverdichter dar. Speziell für die hinterste Stufe eines Hochdruckverdichterrotors eines Strahltriebwerks wird die thermische Materialbelastung zum Problem, da dort besonders hohe Temperaturen vorliegen.
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Es besteht somit ein Bedarf nach technischen Lösungen, die die letzte Verdichterstufe eines Axialverdichters und/oder dahinter angeordnete Komponenten vor heißer Verdichterluft schützen.
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Die Lehre des Anspruchs 1 sieht hierzu vor, Kühlluft zur Kühlung der letzten Verdichterstufe des Axialverdichters und/oder dahinter angeordnete Komponenten einzusetzen, wobei die Kühlluft durch einen sekundären Verdichter bereitgestellt wird, der von dem Getriebe eines Hilfsgeräteträgers angetrieben wird. Dabei ist der sekundäre Verdichter derart angeordnet und ausgebildet, dass dem sekundären Verdichter an oder hinter der letzten Verdichterstufe entnommene Luft zugeführt, die zugeführte Luft im sekundären Verdichter weiter verdichtet und die weiter verdichtete Luft der Turbomaschine wieder zugeführt wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, zur Kühlung zu verwendende Luft eines Axialverdichters mit einem höheren Kühlluftdruck zu versehen, um die Kühleffizienz zu erhöhen. Dies erfolgt unter Verwendung eines zusätzlichen, sekundären Verdichters, der durch das Getriebe des Hilfsgeräteträgers der Turbomaschine angetrieben wird. Dieser sekundäre Verdichter ist ausschließlich für die Versorgung der Turbomaschine mit Kühlluft mit hohem Kühlluftdruck konstruiert. Er kann daher als hochwertiges, aber kleines Teil ausgebildet sein, das aufgrund seiner Kopplung mit dem Hilfsgeräteträger leicht auswechselbar ist.
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Durch Entnahme der dem sekundären Verdichter zuzuführenden Luft an oder hinter der letzten Verdichterstufe wird die Kühlluft bereits initial mit hohem Druck bereitgestellt, wobei dieser hohe Druck im sekundären Verdichter eine weitere Erhöhung erfährt. Auch kann, da die Luft am oder unmittelbar hinter der letzten Verdichterstufe durch den sekundären Verdichter abgesaugt wird, wo bereits ein hoher Verdichtungsgrad vorliegt, der sekundäre Verdichter vergleichsweise klein und kostengünstig ausgebildet sein.
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Der Hilfsgeräteträger dient in an sich bekannter Weise dem Antrieb einer Mehrzahl von Hilfsgeräten (”accessory units”) wie Brennstoffpumpen, Ölpumpen, Ölabscheidern, Hydraulikpumpen und Stromerzeugungsgeneratoren. Diese Hilfsgeräte werden über das externe Getriebe (”external gearbox”) des Hilfsgeräteträgers angetrieben. Erfindungsgemäß ist mit dem externen Getriebe des Hilfsgeräteträgers des Weiteren der erfindungsgemäße sekundäre Verdichter gekoppelt. Das Getriebe des Hilfsgeräteträgers ist beispielsweise in an sich bekannter Weise über eine oder mehrere radial verlaufende Wellen mit einer Antriebswelle der Turbomaschine, beispielsweise der äußeren Verdichterwelle eines Mehrwellenverdichters verbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass dem sekundären Verdichter eine Kühlvorrichtung zugeordnet ist, so dass die wieder zugeführte, weiter verdichtete Luft zusätzlich gekühlt ist. Die zum einen gekühlte und zum anderen weiter verdichtete Luft ermöglicht in besonders effizienter Weise eine Kühlung der zu kühlenden Komponenten. Die Kühlvorrichtung kann dabei sowohl in Strömungsrichtung dem sekundären Verdichter vorgeschaltet als auch in Strömungsrichtung dem sekundären Verdichter nachgeschaltet sein.
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Der sekundäre Verdichter kann grundsätzlich in beliebiger Art ausgebildet sein, auch als weiterer Axialverdichter. In einer Ausgestaltung ist der sekundäre Verdichter als Radialverdichter ausgebildet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass dem sekundären Verdichter ausschließlich an oder hinter der letzten Verdichterstufe entnommene Luft zugeführt wird. Es kann jedoch ebenso vorgesehen sein, dass dem sekundären Verdichter zur Weiterverdichtung Luft zugeführt wird, die der Turbomaschine teilweise von anderer Stelle entnommen ist.
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Bei dem Axialverdichter handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung um einen Hochdruckaxialverdichter eines Flugtriebwerks.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann grundsätzlich in beliebiger Weise ausgebildet sein. Beispielsweise handelt es sich bei der Kühlvorrichtung um eine Kühlvorrichtung mit Luftkühlung.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die dem sekundären Verdichter zugeführte Luft zwischen der letzten Rotorstufe und der letzten Statorstufe der letzten Verdichterstufe entnommen. Die Luft wird somit von dem sekundären Verdichter abgesaugt, bevor die Luft die letzte Statorstufe passiert hat. Die Luft wird hierzu beispielsweise vor der letzten Statorstufe in radialer Richtung abgeleitet.
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Die durch den sekundären Verdichter weiter verdichtete Luft wird in einer Ausführungsvariante ohne Beeinflussung des Luftstroms des Axialverdichters in die Turbomaschine eingeleitet. Es erfolgt also kein Eingriff in den Verdichterstrom. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die weiter verdichtete Luft beispielsweise durch hohl gearbeitete Statoren am Ausgang des Axialverdichters in das Triebwerk zurückgeführt wird.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die verdichtete und im Falle einer Kühlung auch zusätzlich gekühlte Luft in einen Kühlkanal eingeleitet, der der Versorgung stromabwärts des Verdichters liegender Triebwerkskomponenten mit Kühlluft dient. Dabei ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die verdichtete Luft in radialer Richtung oder mit einer radialen Richtungskomponente in den Kühlkanal eingeleitet wird. Hierdurch wird erreicht, dass sie mit der Wandung des Kühlkanals unmittelbar hinter der Einleitstelle in Kontakt gerät und dadurch die entsprechenden Wandungsabschnitte kühlen kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Rotorstufe der letzten Verdichterstufe einen Rotorkörper, der die Laufschaufeln der Rotorstufe trägt. Der Rotorkörper verjüngt sich in axialer Richtung in Strömungsrichtung und bildet in einer Ausgestaltung eine Begrenzung des bereits erwähnten Kühlkanals. Der Rotorkörper ist rückseitig (d. h. in seinen in Strömungsrichtung hinter den Laufschaufeln befindlichen Bereichen) in besonderem Maße heißen Gasen ausgesetzt, die aus dem Strömungskanal des Hochdruckverdichters in den Kühlkanal strömen. Die weiter verdichtete und gegebenenfalls zusätzlich gekühlte Luft wird derart eingeleitet, dass sie auf zu kühlende Bereiche des Rotorkörpers trifft. Hierzu erfolgt die Einleitung unmittelbar hinter der letzten Rotorstufe, d. h. am Anfang des Kühlkanals, und dabei in radialer Richtung und radial versetzt zum Strömungskanal des Axialverdichters.
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Die erfindungsgemäße Lösung schützt somit den Rotorkörper der letzten Rotorstufe in einem Bereich, der sich unmittelbar an den Strömungskanal anschließt und in dem besonders heiße Verdichterluft vorhanden ist, durch Bereitstellung von Luft, die mit hohem Kühlluftdruck und in einer Ausführungsvariante zusätzlich gekühlt bereitgestellt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
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1 in vereinfachter Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Strahltriebwerks, das eine erfindungsgemäße Verdichtervorrichtung aufweist; und
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2 die Verdichtervorrichtung der 1 in vergrößerter Darstellung.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand eines Axialverdichters eines Strahltriebwerks beschrieben. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten jedoch in gleicher Weise für Axialverdichter anderer Turbomaschinen.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zweistrom-Strahltriebwerkes 1, das in an sich bekannter Weise eine Fanstufe 10 mit einem Fan als Niederdruckverdichter, einen Mitteldruckverdichter 20, einen Hochdruckverdichter 30, eine Brennkammer 40, eine Hochdruckturbine 50, eine Mitteldruckturbine 60 und eine Niederdruckturbine 70 aufweist.
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Die Fanstufe 10 weist ein Fangehäuse 15 auf, das innenseitig eine Ringraumfläche aufweist, die einen Sekundärstromkanal 4 des Strahltriebwerkes 1 radial außen begrenzt. Der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 sind von einem Umfangsgehäuse 25 umgeben. Dieses weist innenseitig eine Ringraumfläche 26 auf, die den Strömungskanal 3 für den Primärstrom des Strahltriebwerkes radial außen begrenzt. Radial innen ist der Strömungskanal 3 durch entsprechende Kranzoberflächen der Rotoren und Statoren der jeweiligen Verdichterstufen bzw. durch die Nabe oder mit der Nabe verbundenen Elementen der entsprechenden Antriebswelle verbunden. Der Strömungskanal 3 für den Primärstrom wird auch als Ringraum und die Fläche 26 als Ringraumfläche bezeichnet.
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Der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 weisen jeweils eine Mehrzahl von Verdichterstufen auf, die jeweils eine Rotorstufe und eine Statorstufe umfassen.
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Das Strahltriebwerk 1 der 1 weist des Weiteren drei separate Wellen auf, eine Niederdruckwelle 80, die die Niederdruckturbine 70 mit der Fanstufe 10 verbindet, eine Mitteldruckwelle 90, die die Mitteldruckturbine 60 mit dem Mitteldruckverdichter 20 verbindet und eine Hochdruckwelle 100, die die Hochdruckturbine 50 mit dem Hochdruckverdichter 30 verbindet. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Wenn das Strahltriebwerk beispielsweise keinen Mitteldruckverdichter und keine Mitteldruckturbine besäße, wären nur eine Niederdruckwelle und eine Hochdruckwelle vorhanden.
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Die beschriebenen Komponenten besitzen eine gemeinsame Symmetrieachse 2, die die Mittelachse für die Statorstufen und die Gehäuse sowie die Rotationsachse für die Rotorstufen des Strahltriebwerks darstellt.
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Das Strahltriebwerk 1 umfasst einen an sich bekannten Hilfsgeräteträger 110. Der Hilfsgeräteträger 110 weist ein externes Getriebe (nicht gesondert dargestellt) auf, das über nicht dargestellte Kopplungsmittel, beispielsweise ein oder mehrere radial verlaufende Wellen, mit der Mitteldruckwelle 90 oder einer anderen der Antriebswellen 80, 90, 100 gekoppelt und dazu vorgesehen ist, mit dem Hilfsgeräteträger 110 verbundene Hilfsgeräte wie beispielsweise Brennstoffpumpen, Ölpumpen, Zentrifugalölabscheider, Hydraulikpumpen oder Generatoren zur Stromerzeugung anzutreiben.
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Des Weiteren umfasst das Strahltriebwerk 1 einen sekundären Verdichter 120 und eine Kühlvorrichtung 130. Im Kontext der vorliegenden Erfindung sind der Hochdruckverdichter 30 sowie der sekundäre Verdichter 120 und die Kühlvorrichtung 130 von besonderer Bedeutung. Diese Komponenten sind in der 2 vergrößert dargestellt.
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Die 2 zeigt die einzelnen Stufen des Hochdruckverdichters 30. Im Kontext der vorliegenden Erfindung von besonderem Interesse ist die letzte Verdichterstufe, die aus einer letzten Rotorstufe 31 und einer letzten Statorstufe 32 besteht. Die letzte Rotorstufe 31 umfasst Laufschaufeln 311 und die letzte Statorstufe 32 Leitschaufeln 321, die sich im Strömungskanal 3 des Axialverdichters 30 befinden. Luft, die die letzte Statorstufe 32 verlässt, wird zumindest teilweise der Brennkammer 40 zugeleitet.
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Die dargestellte Anordnung umfasst des Weiteren einen Kühlkanal 5, der sich stromabwärts an den Hochdruckverdichter 30 anschließt und der der Versorgung stromabwärts liegender Triebwerkskomponenten, insbesondere der Hochdruckturbine 50 mit Kühlluft dient. Der Kühlkanal 5 beginnt zwischen der letzten Rotorstufe 31 und der letzten Statorstufe 32 und zweigt erst in radialer Richtung, dann mit axialer Komponente vom Strömungskanal 3 ab, so dass ein Teil der verdichteten Luft hinter der letzten Rotorstufe 31 in den Kühlkanal 5 gelangt. Dabei wird zu den Begriffen „Kühlkanal” und ”Kühlluft” angemerkt, dass die aus dem Hochdruckverdichter 30 austretende Luft zwar hohe Temperaturen aufweist, diese Temperaturen aber dennoch gering sind im Vergleich zu den hinter der Brennkammer 40 in der Hochdruckturbine 50 herrschenden Temperaturen.
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Der Rotor 31 umfasst neben den bereits erwähnten Laufschaufeln 311 eine Scheibe 312, die mit der Hochdruckwelle 100 gekoppelt ist und an deren Enden die Laufschaufeln 311 befestigt sind. Die letzte Rotorstufe 31 bildet des Weiteren als Außenbegrenzung einen Rotorkonus 313 aus, der sich in axialer Richtung verjüngt und eine Begrenzung des Kühlkanals 5 bildet. Die andere Begrenzung des Kühlkanals 5 wird durch einen Wandbereich 140 bereitgestellt. Die Rotorscheibe 312 und der Rotorkonus 313 bilden Teile des Rotorkörpers. Dabei ist der Rotorkonus 313 heißen Gasen ausgesetzt, die aus dem Strömungskanal 3 des Hochdruckverdichters 30 in den Kühlkanal 5 strömen.
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Verdichterluft wird somit hinter der letzten Rotorstufe 31 aus dem Strömungskanal 3 abgezweigt und strömt in den Kühlkanal 5. Aufgrund der immer höheren Verdichtungstemperaturen führt dies jedoch dazu, dass das Material des Rotorkörpers, insbesondere die Oberfläche des Rotorkonus 313, mit sehr heißer Verdichteraustrittsluft beaufschlagt und thermisch stark strapaziert wird. Die damit verbundene thermische Materialbelastung des Rotorkonus 313, insbesondere in dem Bereich, der sich unmittelbar an die Laufschaufeln 311 anschließt, ist schädlich für das Verdichterrotormaterial speziell im Hinblick auf absolute Temperatur und zyklischem Leben. Bei zunehmend höheren Verdichtungstemperaturen sind zunehmend hochwertigere Rotormaterialien erforderlich, um der hohen Temperatur standzuhalten.
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Um dies zu vermeiden, sieht die vorliegende Erfindung eine zusätzliche Kühlung des Rotorkörpers vor. Diese zusätzliche Kühlung ist auch vorteilhaft für die Kühlung weiterer, stromabwärts liegender Triebwerkskomponenten, wie beispielsweise der Hochdruckturbine 50.
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Zur Bereitstellung von Hochdruck-Kühlluft ist der sekundäre Verdichter 120 vorgesehen. Dieser saugt über eine Leitung 119, deren Ende 119 sich hinter der letzten Rotorstufe 31 der letzten Verdichterstufe und dabei bevorzugt zwischen der letzten Rotorstufe 31 und der letzten Statorstufe 32 befindet, die bereits unter einem hohen Druck stehende Kühlluft an.
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Bei dem sekundären Verdichter 120 handelt es sich beispielsweise um einen Radialverdichter. Der sekundäre Verdichter 120 ist über eine Kupplungswelle 115 mit dem Getriebe des Hilfsgeräteträgers 110 verbunden und wird durch dieses angetrieben. Das Getriebe des Hilfsgeräteträgers 110 ist wie bereits erläutert mit einer der Antriebswellen des Strahltriebwerks 1 verbunden (nicht gesondert dargestellt). Die auf diese Weise verdichtete Luft wird von dem sekundären Verdichter 120 über eine Leitung 121 der Kühlvorrichtung 130 zugeführt. Diese kann grundsätzlich in beliebiger Weise ausgebildet sein. Beispielsweise ist sie mit Luftkühlung ausgebildet. Die herabgekühlte Luft wird über eine weitere Leitung 131 dem Strahltriebwerk 1 im Bereich der oder hinter der letzten Verdichterstufe wieder zugeführt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Rückführung der verdichteten und durch die Kühlvorrichtung 130 herabgekühlten Luft unmittelbar hinter der letzten Rotorstufe 31 am Anfang des Kühlkanals 5. Die Luft wird dabei über die Leitung 131 in radialer Richtung in den Kühlkanal 5 eingeleitet. Sie wird dabei an einer Stelle eingeleitet, dass sie den Luftstrom im Strömungskanal 3 des Hochdruckverdichters 30 nicht beeinflusst.
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Die mit erhöhtem Druck versehene Kühlluft breitet sich aufgrund ihres erhöhten Druckes innerhalb der Kühlkammer 5 bis zum Rotorkonus 313 aus und kühlt diesen in effektiver Weise. Hierdurch kann ein kostengünstigeres Material zur Bildung des Rotorkörpers bzw. des den Rotorkonus 313 bildenden Materials verwendet werden.
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Die beschriebene Anordnung ermöglicht eine Kühlung derjenigen Bauteile des Rotors eines Axialverdichters, die sich in Strömungsrichtung gesehen auf der Rückseite des Rotorkörpers befinden und ohne die Erfindung in besonderem Maße mit heißer Verdichteraustrittsluft beaufschlagt würden. Insbesondere diejenigen Bereiche des Rotorkörpers, die den Kühlkanal 5 mit ausbilden, werden durch die erfindungsgemäße Lösung gekühlt. Eine verbesserte, da unter einem höheren Druck und mit abgekühlter Luft erfolgende Kühlung wird aber auch für die nachfolgenden Triebwerkskomponenten bereitgestellt.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele, die lediglich beispielhaft zu verstehen sind. Beispielsweise kann alternativ vorgesehen sein, dass die dem sekundären Verdichter zugeführte Luft an anderer Stelle und zur Kühlung anderer Triebwerksbauteile dem Triebwerk wieder zugeführt wird.
