DE102013220844A1

DE102013220844A1 - Verdichter und Gasturbine mit einem derartigen Verdichter

Info

Publication number: DE102013220844A1
Application number: DE201310220844
Authority: DE
Inventors: Alexander Böck
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: DE102013220844B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine (Turbo-)Triebwerk 10 mit einem Verdichter 15 und einen Verdichter 15, insbesondere Hochdruckverdichter 15, zur Förderung und Komprimierung eines Gases für eine Brennkammer 20 einer (Turbo-)Triebwerk 10, aufweisend einen drehbaren Rotor 35 und eine statischen Struktur 55, wobei die statische Struktur 55 zumindest teilweise stromabwärtsseitig des Rotors 35 durch einen Spalt 170 beabstandet angeordnet ist, wobei die statische Struktur 55 zumindest einen Kühlgaskanal 125 umfasst, der mit der Brennkammer 20 verbindbar ist, und wobei der Kühlgaskanal 125 eine Kanalöffnung 207 umfasst, die in dem Spalt 170 mündet, so dass durch den Kühlgaskanal 125 ein Kühlgasstrom 126 von der Brennkammer 20 zum Spalt 170 bereitstellbar ist, wobei die Kanalöffnung 207 des Kühlgaskanals 125 als Ringspalt 206 ausgebildet ist, der in Richtung des Rotors 35 ausgerichtet und ausgelegt ist, den Kühlgasstrom 126 aus dem Kühlgaskanal 125 zumindest teilweise in Richtung des Rotors 35 zu führen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Verdichter und einen derartigen Verdichter, der zur Förderung und Komprimierung eines Luftstroms für eine Brennkammer der Gasturbine ausgebildet ist und einen drehbaren Rotor mit wenigstens einer Scheibe und eine zumindest teilweise stromabwärtsseitig der Scheibe durch einen Spalt zur Scheibe beabstandet angeordnete statische Struktur umfasst, wobei die statische Struktur zumindest einen Kühlgaskanal umfasst, der mit der Brennkammer verbindbar ist, und wobei der Kühlgaskanal eine Kanalöffnung umfasst, die in dem Spalt mündet, wobei durch den Kühlgaskanal ein Kühlgasstrom von der Brennkammer zum Spalt bereitstellbar ist.
Aus der EP 0 447 886 A1 ist eine zwischen einer Turbine und einem Verdichter liegende Trommel bekannt, die von einer Trommelabdeckung umgeben ist. Ein zwischen Trommel und Trommelabdeckung gebildete Ringkanal übernimmt die Führung einer gesamten, nebenseitig hinter der letzten Laufreihe des Verdichters entnommenen Rotorkühlluft zur Stirnseite der Turbine und daran anschließend zu deren rotorseitigen Kühlkanälen. Die Kühlluft wird innerhalb des Ringkanals in einem Drallgitter umgelenkt und auf höchstmögliche Tangentialgeschwindigkeit beschleunigt. Das Drallgitter ist dabei in Form von Dralldüsen, die unmittelbar gegenüber der Stirnseite des Turbinenrotors angeordnet sind, ausgebildet. Durch die Dralldüsen strömt die Kühlluft punktuell aus.
Ferner ist eine ähnlicher zu dem oben beschriebenen Aufbau auch für den Verdichter einer Gasturbine bekannt, wobei die Kühlluft aus der Brennkammer entnommen und genutzt wird eine Scheibe der letzten Stufe des Verdichters zu kühlen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen fertigungstechnisch günstig ausgebildeten Verdichter mit verbesserter Kühlung sowie eine Gasturbine mit solch einem Verdichter bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verdichters gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein verbesserter Verdichter, insbesondere ein Hochdruckverdichter, zur Förderung und Komprimierung eines Gases für eine Brennkammer einer Gasturbine dadurch bereitgestellt werden kann, dass der Verdichter einen drehbaren Rotor und eine statische Struktur umfasst, wobei die statische Struktur zumindest teilweise stromabwärtsseitig des Rotors durch einen Spalt beabstandet angeordnet ist, wobei die statische Struktur zumindest einen Kühlgaskanal umfasst, der mit der Brennkammer verbindbar ist, wobei der Kühlgaskanal eine Kanalöffnung umfasst, die in dem Spalt mündet, so dass durch den Kühlgaskanal ein Kühlgasstrom von der Brennkammer zum Spalt bereitstellbar ist. Ferner ist die Kanalöffnung des Kühlgaskanals als Ringspalt ausgebildet, der in Richtung des Rotors ausgerichtet und ausgelegt ist, den Kühlgasstrom aus dem Kühlgaskanal zumindest teilweise in Richtung des Rotors zu führen.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine filmartige Einblasung in den Spalt bereitgestellt werden kann, die kaum lokale Unstetigkeiten in Umfangsrichtung aufweist. Dadurch wird eine verbesserte Kühlung der Scheibe des Rotors bereitgestellt und ferner ein Einsaugen einer Grenzschicht des Rotors in den Spalt, die üblicherweise hohe Temperaturen im Verdichter aufweist, vermieden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn im Kühlgaskanal wenigstens eine Leitschaufel vorgesehen ist, wobei die Leitschaufel eine Leitfläche umfasst, die schräg zu einer Drehachse des Rotors ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das in den Spalt eingeblasene Gas drallbehaftet ist und somit lokale Ausmischungen im Spalt zwischen dem Kühlgasstrom und dem im Spalt befindlichen Gas vermieden werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Ringspalt wenigstens einen Winkelabschnitt von wenigstens 2 Grad, insbesondere wenigstens 5 Grad, vorteilhafterweise wenigstens 30 Grad, besonders vorteilhafterweise wenigstens 45 Grad umfasst.
Besonders einfach ist die statische Struktur herstellbar, wenn die statische Struktur einen Innenring und einen radial außen liegend zum Innenring angeordneten Außenring umfasst, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring zumindest teilweise der Kühlgaskanal angeordnet ist und der Innenring mit dem Außenring den Ringspalt ausbilden. Auf diese Weise können die Fertigungsschritte zur Herstellung der Tragestrukter reduziert werden und somit die statische Struktur kostengünstig hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die statische Struktur ein Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum auf. Das Gehäuse ist an der Brennkammer anordenbar und mit dem Innenring verbunden. Zwischen dem Außenring und dem Innenring ist eine Ausgleichskammer vorgesehen, wobei der Außenring und/oder der Innenring zumindest eine Durchgangsöffnung umfassen, die den Gehäuseinnenraum mit der Ausgleichskammer verbindet. Auf diese Weise kann eine besonders kontinuierliche Strömung durch den Ringspalt, die nahezu wirbelfrei innerhalb des Ringspalts ausgebildet ist, bereitgestellt werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Leitschaufel zwischen der Kanalöffnung und der Ausgleichskammer im Kühlgaskanal angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Leitschaufel am Außenring angeordnet und erstreckt sich radial nach innen in Richtung des Innenrings. Eine alternative Ausführungsform ist, dass die Leitschaufel am Innenring angeordnet ist und sich radial nach außen in Richtung des Außenrings erstreckt. Auf diese Weise können die Leitschaufeln einfach mittels eines Spanvorgangs oder in einem Druckgussvorgang kostengünstig hergestellt werden.
Axial kann eine Verschiebung des Außenrings gegenüber dem Innenring dadurch blockiert werden, dass der Innenring einen Zentrierbund umfasst, der angrenzend an die Ausgleichskammer angeordnet ist, wobei der Zentrierbund derartig ausgebildet ist, eine axiale Verschiebung des Außenrings in Richtung des Spalts durch ein Anschlagen des Außenrings am Zentrierbund zu blockieren. In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Außenring einen Zentrierbund, der angrenzend an die Ausgleichskammer angeordnet ist, wobei der Zentrierbund ausgebildet ist, eine axiale Verschiebung des Außenrings in Richtung des Spalts durch ein Anschlagen des Innenrings am Zentrierbund zu blockieren.
Um die Richtung des Kühlgasstroms durch den Spalt bzw. auf die Scheibe definiert festzulegen, umfasst der Kühlgaskanal angrenzend an die Kanalöffnung einen Leitabschnitt, wobei der Leitabschnitt geneigt oder parallel zur Drehachse des Rotors ausgerichtet ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Scheibe eine der Trägerstruktur zugewandte Ausbuchtung, wobei die Ausbuchtung sich in axialer Richtung der Trägerstruktur erstreckt und ausgebildet ist, einen Querschnitt des Spalts in axialer Richtung zu reduzieren. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass mittels eines geringen Massenstroms durch den Ringspalt und eines geringen Spaltquerschnitts des Spalts in axialer Richtung das Einströmen der Grenzschicht des Verdichters zuverlässig vermieden wird, wodurch eine Temperaturbeanspruchung der Scheibe reduziert wird.
Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Ausbuchung radial auf Höhe des Außenrings der Trägerstruktur angeordnet ist.
Die Aufgabe wird auch mittels der Merkmale des Anspruchs 12 gelöst.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine verbesserte Gasturbine dadurch bereitgestellt werden kann, dass die Gasturbine, insbesondere eine Fluggasturbine, einen Verdichter und eine Brennkammer aufweist. Die Brennkammer ist stromabwärtsseitig an dem Verdichter angeordnet. Der Verdichter ist ausgebildet, einen Gasstrom zu komprimieren und in die Brennkammer zu fördern. Der Verdichter ist wie oben beschrieben ausgebildet, wobei der Kühlgaskanal mit der Brennkammer verbunden und ausgelegt ist, den Kühlgasstrom von der Brennkammer in den Spalt bereitzustellen, um ein Einströmen einer Verdichtergrenzschicht in den Spalt zu reduzieren.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Scheibe des Rotors geringeren Temperaturbelastungen ausgesetzt ist, damit zum einen die Werkstoffwahl der Scheibe freier als bei herkömmlichen Gasturbinen ist, zum anderen zuverlässig Verdichterschäden im Bereich der Scheibe wegen Überhitzung vermieden werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein (Turbo-)Triebwerk mit einem Verdichter;
2 einen Ausschnitt des in 1 gezeigten Längsschnitts durch den Verdichter;
3 und 4 vergrößerte Ausschnitte des in 2 gezeigten Längsschnitts durch den Verdichter;
5 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch den in 3 gezeigten Verdichter entlang einer Schnittebene A-A;
6 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch den in 3 gezeigten Verdichter entlang einer Schnittebene B-B;
7 einen Ausschnitt einer Seitenansicht auf einen Innenring des in 2 gezeigten Verdichters;
8 einen Ausschnitt eines Längsschnitts einer Weiterbildung des in 3 gezeigten Verdichters;
9 einen Ausschnitt eines Längsschnitts einer alternativen Ausführungsform des in 8 gezeigten Verdichters;
10 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch eine Weiterbildung des in 8 gezeigten Verdichters; und
11 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch eine Weiterbildung des in 3 gezeigten Verdichters.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein als Gasturbine ausgebildetes (Turbo-)Triebwerk 10 mit einem mehrstufig ausgebildeten Verdichter 15 und einer Brennkammer 20. Das (Turbo-)Triebwerk 10 ist in der Ausführungsform als Zweistromtriebwerk ausgebildet und in einer Triebwerksgondel 25 angeordnet. Das (Turbo-)Triebwerk 10 umfasst einen Bläser 30, der stromaufwärtsseitig zu dem Verdichter 15 angeordnet ist. Stromabwärtsseitig zu dem Verdichter 15 ist die Brennkammer 20 angeordnet. Der Verdichter 15 umfasst einen Rotor 35, der drehbar um eine Drehachse 40 gelagert ist. Der Verdichter 15 ist ausgebildet, einen Luftstrom 45 in die Brennkammer 20 zu fördern und diesen für die Brennkammer 20 zu verdichten. An die Brennkammer 20 schließt sich eine Turbine 50 stromabwärtsseitig an, die mit dem Rotor 35 des Verdichters 15 gekoppelt ist, um den Verdichter 15 anzutreiben.
2 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts des in 1 gezeigten Verdichters 15. 3 und 4 zeigen vergrößerte Ausschnitte des in 2 gezeigten Längsschnitts durch den Verdichter 15. 5 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch den in 3 gezeigten Verdichter 15 entlang einer Schnittebene A-A und 6 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch den in 3 gezeigten Verdichter 15 entlang einer Schnittebene B-B. 7 zeigt einen Ausschnitt einer Seitenansicht eines Innenrings 130 des in 2 gezeigten Verdichters 15. Im Folgenden sollen die 2 bis 7 gemeinsam erläutert werden.
Wie in 2 gezeigt umfasst der Rotor 35 des Verdichters 15 eine Scheibe 60 und mehrere radial außenseitig an der Scheibe 60 angeordnete Laufschaufeln 65, die mittels ihres Schaufelfußes 70 in einer Aufnahme 75 der Scheibe 60 umfangsseitig befestigt sind. Ferner umfasst der Rotor 35 einen stromabwärtsseitig der Scheibe 60 angeordneten Rotorkonus 110.
Der Verdichter 15 umfasst einen ersten Kanal 95, durch den die Luftströmung 45 in Richtung der Brennkammer 20 gefördert wird. Im ersten Kanal 95 ist die Laufschaufel 65 angeordnet. Des Weiteren umfasst der Verdichter 15 eine statische Struktur 55. Die statische Struktur 55 ist stromabwärtsseitig zu dem Rotor 35 angeordnet. Die statische Struktur 55 umfasst eine radial außenseitig stromabwärts angrenzend an die Laufschaufel 65 in den ersten Kanal 95 ragende erste Leitschaufel 80. Stromabwärtsseitig folgt auf die erste Leitschaufel 80 eine Verzögerungsstufe 85 der statischen Struktur 55 mit wenigstens einer zweiten Leitschaufel 90. In der Verzögerungsstufe 85 weitet sich der erste Kanal 95 auf. Der Luftstrom 45 weist einen Totaldruck p_T mit einem statischen Druck(-anteil) p_s und einem dynamischen Druck(-anteil) p_d auf. Im Betrieb des (Turbo-)Triebwerks 10 weist der Luftstrom 45 stromabwärtsseitig der Laufschaufel 65 einen ersten Totaldruck p_T1 mit einem ersten statischen Druck p_s1 und einem ersten dynamischen Druck p_d1 auf. Der Luftstrom 45 weist nach der ersten Leitschaufel 80 einen zweiten Totaldruck p_T2 mit einem zweiten statischen Druck p_s2 und einem zweiten dynamischen Druck p_d2 auf. Nach der zweiten Leitschaufel 90 der Verzögerungsstufe 85 weist der Luftstrom 45 einen dritten Totaldruck p_T3 mit einem dritten statischen Druck p_s3 und einem dritten dynamischen Druck p_d3 auf. Der erste bis dritte Totaldruck p_T1, p_T2, p_T3 sind nahezu identisch.
Mittels der ersten Laufschaufel 65 wird dem Luftstrom 45 Energie zugeführt und beschleunigt. Dadurch wird der erste dynamische Druck p_d1 im Vergleich vor der ersten Laufschaufel 65 erhöht. Durch die erste Leitschaufel 80 wird die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms 45 reduziert, so dass der zweite statische Druck p_s2 größer ist als der erste statische Druck p_s1.. In der Verzögerungsstufe 85 wird der Luftstrom 45 weiter verzögert. Aufgrund der Verzögerung im Bereich in der Verzögerungsstufe 85 ist der dritte statische Druck p_s3 größer als der erste statische Druck p_s1. Ferner ist der dritte dynamische Druck p_d3 gegenüber dem zweiten dynamischen Druck p_d2 reduziert. Der Luftstrom 45 tritt nach dem Durchströmen der Verzögerungsstufe 85 in die Brennkammer 20 ein, wobei in 2 nur ansatzweise ein Brenner 100 in der Brennkammer 20 gezeigt ist. In der Brennkammer 20 wird Kraftstoff in den Brenner 100 eingespritzt, um einen Verbrennungsprozess zwischen dem Kraftstoff und dem durch den Verdichter 15 komprimierten Luftstrom 45 durchzuführen. Die dabei entstehenden Abgase strömen durch die Turbine 50 und treiben diese an.
Die statische Struktur 55 umfasst ferner ein Gehäuse 115, das mittels Befestigungselemente 105 an der Brennkammer 20 befestigt ist. Das Gehäuse 115 ist dabei radial außenseitig zu dem Rotorkonus 110 angeordnet. Der Rotorkonus 110 begrenzt zusammen mit dem Gehäuse 115 einen Spalt 170.
Das Gehäuse 115 umfasst einen Gehäuseinnenraum 120, der ringförmig ausgebildet ist. Ferner ist in dem Gehäuse 115 und in der Brennkammer 20 eine Öffnung 121 vorgesehen, die eine fluidische Verbindung zwischen der Brennkammer 20 und dem Gehäuseinnenraum 120 bereitstellt. Die Öffnung 121 und der Gehäuseinnenraum 120 sind Teil eines zweiten Kanals 125, der die Brennkammer 20 mit dem Spalt 170 fluidisch verbindet. Über den zweiten Kanal 125 tritt ein Teil des verdichteten Luftstroms 45 aus der Brennkammer 20 in den Gehäuseinnenraum 120 des Gehäuses 115 als Kühlluftstrom 126 bzw. Kühlgasstrom ein, so dass der zweite Kanal 125 als Kühlgaskanal dient. Damit liegt in dem Gehäuseinnenraum 120 der gleiche statische Druck p_s3 wie in der Brennkammer 20 vor.
Radial außenseitig ist an dem Gehäuse 115 ein Innenring 130 befestigt. Der Innenring 130 weist mehrere erste Durchgangsöffnungen 135 auf, die in der Ausführungsform als Bohrungen ausgebildet sind, die gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind und schräg zur Drehachse 40 ausgerichtet sind. Radial innenseitig zu dem Innenring 130 ist ein Einlaufbelag 235 vorgesehen. Radial innenseitig zum Einlaufbelag 235 sind mehrere Dichtungsspitzen 140 an dem Rotorkonus 110 angeordnet, die ein Abströmen von Luft 230 zwischen dem Rotorkonus 110 und dem Gehäuse 115 aufgrund des stromabwärtsseitig hinter den Dichtungsspitzen 140 vorliegenden geringeren Drucks reduzieren. Die Lage und Anzahl der Dichtungsspitzen 140 ist beispielhaft. Die Dichtungsspitzen 140 können auch am Gehäuse 115 angeordnet sein.
Radial außenliegend ist am Innenring 130 (vgl. 3) ein Außenring 145 vorgesehen. Der Innenring 130 und der Außenring 145 sind derartig aufeinander abgestimmt ausgeformt, dass der zweite Kanal 125 zwischen dem Außenring 145 und dem Innenring 130 in axialer Richtung stromaufwärtsseitig fortgeführt wird. Radial außenseitig zum Außenring 145 sind die ersten Leitschaufeln 80 angeordnet. Stromabwärtsseitig bezogen auf den Luftstrom 45 zu dem Außenring 145 bzw. zwischen Brennkammer 20 und dem Außenring 145 ist ein weiterer Ring 150 vorgesehen. Zwischen dem weiteren Ring 150 und der ersten Leitschaufel 80 ist ein Dichtelement 155 angeordnet, das ausgebildet ist, ein Einströmen des Kühlluftstroms 126 in den den ersten Kanal 95 hinein aus der statische Struktur 55 zu vermeiden.
Die erste Leitschaufel 80 (vgl. 3) umfasst einen radial innen umlaufenden Steg 151, der zwischen dem Außenring 145 und dem weiteren Ring 150 eingreift. Der umlaufende Steg 151 und der weitere Ring 150 besitzen eine ineinander eingreifende Verzahnung 160, durch welche die zentrische Position der ersten Leitschaufeln 80 festgelegt wird.
Der Innenring 130 weist einen Zentrierbund 165 auf, der radial umlaufend ausgebildet ist. Im Betrieb des (Turbo-)Triebwerks 10 wird durch den höheren zweiten statischen Druck p_s2 nach der ersten Leitschaufel 80 gegenüber dem ersten statischen Druck p_s1 vor der Leitschaufel 80 die erste Leitschaufel 80 in Richtung der Scheibe 60 gedrückt, so dass der Steg 151 an der Stirnseite des Außenrings 145 anliegt. Der Außenring 145 wird dadurch an den Zentrierbund 165 des Innenrings 130 gedrückt. Durch die Befestigung des Innenrings 130 an der Brennkammer 20, wird so auf einfache Weise die axiale Position sowohl des Außenrings 145 als auch der ersten Leitschaufel 80 festgelegt.
Um einen geringen Kanalwiderstand des zweiten Kanals 125 bereitzustellen, weist der Außenring 145 radial innenseitig auf der zum weiteren Ring 150 zugewandten Seite mehrere zweite ringförmig ausgebildete Durchgangsöffnungen 185 auf (vgl. 3 und 6), die umfangsseitig in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet sind. Zwischen zwei zweiten Durchgangsöffnungen 185 ist jeweils ein Flanschabschnitt 186 vorgesehen (vgl. 6), der ausgebildet ist, an dem Zentrierbund 165 anzuschlagen. Die zweiten Durchgangsöffnungen 185 können beispielsweise mittels eines Fräsvorgangs in eine innere Umfangsfläche 190 des Außenrings 145 eingebracht werden. Alternativ wäre auch denkbar, die zweiten Durchgangsöffnungen 185 mittels eines Bohrvorgangs, eines anderen Spanvorgangs oder einer entsprechenden Ausformung einer Gussform auszubilden. Durch diese Ausgestaltung wird gewährleistet, dass ein hoher Durchtrittsquerschnitt zwischen dem Außen- und dem Innenring 130, 145 sichergestellt werden kann. Zwischen den zweiten Durchgangsöffnungen 185 und der ersten Durchgangsöffnung 135 ist eine erste Kammer 191 (vgl. 3) vorgesehen, die radial innenseitig durch den Innenring 130 und radial außenseitig durch den weiteren Ring 150 sowie den Steg 151 begrenzt wird.
Ferner ist zwischen dem Außenring 145 und dem Innenring 130 in axialer Richtung zur Scheibe 60 hin, angrenzend an die zweite Durchgangsöffnung 185, eine ringförmig ausgebildete zweite Kammer 195 im zweiten Kanal 125 vorgesehen (vgl. 3). Axial in Richtung der Scheibe 60 sind angrenzend an die zweite Kammer 195 an einer äußeren Umfangsfläche des Innenrings 145 mehrere dritte Leitschaufeln 200 (vgl. 3 bis 5, 7) vorgesehen, die radial in Richtung des Außenrings 145 ausgerichtet sind und umlaufend schräg zur Drehachse 40 ausgerichtet sind. Angrenzend an die dritten Leitschaufeln 200 ist ein Leitabschnitt 205 im zweiten Kanal 125 in Richtung der Scheibe 60 vorgesehen. Der Leitabschnitt 205 ist radial umlaufend ausgebildet und bildet somit einen Ringspalt 206 aus (vgl. 3 und 4).
Um ein Anschlagen der Scheibe 60 an der statische Struktur 55 zu vermeiden, ist der Spalt 170 zwischen der statische Struktur 55 (vgl. 2 bis 4), insbesondere zwischen der ersten Leitschaufel 80, dem Außenring 145 und dem Innenring 130 und der Scheibe 60 vorgesehen. Der Spalt 170 ist im Wesentlichen schräg bzw. nahezu senkrecht über Abschnitte zur Drehachse 40 ausgerichtet. Gegenüber der Scheibe 60 mündet der zweite Kanal 125 an einer Kanalöffnung 207 in den Spalt 170 (vgl. 3 und 4).
Der erste Kanal 95 weist eine den ersten Kanal 95 begrenzende Kanalwand 175 auf (vgl. 2 und 3). Im Betrieb des (Turbo-)Triebwerks 10 strömt der Luftstrom 45 durch den ersten Kanal 95 und reibt an der Kanalwand 175. Dies führt bekannterweise zur Ausbildung einer Grenzschicht 180, die sich üblicherweise darin definiert, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms 45 innerhalb der Grenzschicht 180 kleiner oder gleich 99 % einer Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms 45 etwa in einem mittigen Bereich des ersten Kanals 95 beträgt. Die Grenzschicht 180 weist im Betrieb des (Turbo-)Triebwerks 10 eine Totaltemperatur T_G auf. Die Totaltemperatur T_G ist dabei höher als eine Totaltemperatur T_T des Luftstroms 45, etwa in einem mittigen Bereich des ersten Kanals 95, nach der Laufschaufel 65. Aufgrund der Ausrichtung des Spalts 170 im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 40 in einem an die Aufnahme 75 der Scheibe 60 angrenzenden Bereich, neigt die Grenzschicht 180 zum zumindest teilweisen Einströmen in den Spalt 170. Dies führt zu einer Erwärmung der angrenzenden Scheibe 60 bzw. der Trägerstruktur 55. Ferner liegt im Spalt 170 der erste statische Druck p_s1 an.
Im Betrieb des (Turbo-)Triebwerks 10 rotiert der Rotor 35 und beschleunigt den Luftstrom 45 mittels der Laufschaufeln 65. Der statische Druck p_s des Luftstroms 45 wird mittels der ersten Leitschaufel 80 erhöht. Ferner wird die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms 45 in der Verzögerungsstufe 85 reduziert, um eine kontrollierte Verbrennung innerhalb der Brennkammer 20 zu erreichen. Dabei liegt in der Brennkammer 20 der dritte statische Druck p_s3 an, der größer ist als der erste statische Druck p_s1. Durch die Druckdifferenz zwischen dem ersten statischen und dem dritten statischen Druck p_s1, p_s3 strömt aus der Brennkammer 20 über den zweiten Kanal 125 der Kühlluftstrom 126 in den Gehäuseinnenraum 120. Aus dem Gehäuseinnenraum 120 tritt dieser über die ersten Durchgangsöffnungen 135 in die erste Kammer 191 ein (vgl. 3). Dabei ist die Durchgangsöffnung 135 mit möglichst großem Querschnitt ausgebildet, um Druckverluste zu vermeiden. Im zweiten Kanal 125 strömt der Kühlluftstrom 126 aus der ersten Kammer 191 durch die zweiten Durchgangsöffnungen 185 in die zweite Kammer 195. Ebenso sind die zweiten Durchgangsöffnungen 185 möglichst mit großem Querschnitt ausgebildet, um weitere Druckverluste zu vermieden. Nach der zweiten Kammer 195 wird der Kühlluftstrom 126 entlang der dritten Leitschaufeln 200 umfangsseitig abgelenkt bzw. in Umfangsrichtung beschleunigt, so dass zusätzlich zu einem axialen Geschwindigkeitsvektor der Kühlluftstrom 126 weiterhin einen umfangsseitigen Geschwindigkeitsvektor aufweist. Nach der Ablenkung der Leitschaufeln 200 wird durch den Leitabschnitt 205 des Ringspalts 206 der Kühlluftstrom 126 in Richtung der Scheibe 60 aus der Kanalöffnung 207 in den Spalt 170 eingeblasen und in Richtung der Scheibe 60 geführt.
Der Innenring 130 und der Außenring 145 sind im Bereich des zweiten Kanals 125 (vgl. 3) an den dritten Leitschaufeln 200 bzw. im Leitabschnitt 205 enger beabstandet als an der zweiten Kammer 195. Dadurch dient der Leitabschnitt 205 gleichzeitig als Drossel des zweiten Kanals 125, durch die ein Massenstrom durch den zweiten Kanal 125 begrenzt wird. Der Ringspalt 206 hat den Vorteil, dass der Kühlluftstrom 126 durch die dritten Leitschaufeln 200 drallbehaftet und durch den geringen radial Abstand des Innenrings 130 zum Außenring 145 filmartig in den Spalt 170 eingeblasen werden kann. Dadurch, dass im Spalt 170 der erste statische Druck p_s1 nach den Laufschaufeln 65 vorliegt, kann in der Ausführungsform ein kontinuierlicher Kühlluftstrom 126 durch den zweiten Kanal 125 gewährleistet werden. Durch die Drallbeaufschlagung mittels der dritten Leitschaufeln 200 kann eine besonders gute Kühlung der Scheibe 60 und/oder des Rotorkonus 110 des Rotors 35 bereitgestellt werden und ein Einströmen der heißen Grenzschicht 180 in den Spalt 170 verhindert werden.
Die dritten Leitschaufeln 200 weisen eine radiale Erstreckung auf, die derart gewählt ist, dass eine Schaufelspitze 220 der dritten Leitschaufel 200 umfangsseitig an einer inneren Umfangsfläche 225 des Außenrings 145 anliegt (vgl. 5). Auf diese Weise wird eine Überströmung der dritten Leitschaufel 200 innerhalb des Ringspalts 206 vermieden und gleichzeitig die radiale Position des Außenrings 145 festgelegt. Die dritte Leitschaufel 200 weist eine umfangsseitig radial nach außen sich erstreckende Leitfläche 226 und eine Rückseite 227 auf, wobei die Rückseite 227 der dritten Leitschaufel 227 schräg zur Leitfläche 226 angeordnet ist. Durch die radiale Ausrichtung der Leitfläche 226 nach außen hin kann der Kühlluftstrom 126 durch die Leitfläche 226 besonders gut radial abgelenkt und eine Indizierung von lokalen Verwirbelungen in den Kühlluftstrom 126 vermieden werden. Der Kühlluftstrom 126 wird durch die Rückseite 227 der dritten Leitschaufel 200 nur gering beeinflusst, so dass diese für eine einfache Fertigung des Innenrings 130 schräg angeordnet sein kann. Selbstverständlich kann die Rückseite 227 parallel zur Leitfläche 226 angeordnet sein.
Die dritten Leitschaufeln 200 sind in der Ausführungsform etwa in einem Winkel zwischen 30 und 60 Grad schräg zur Drehachse 40 in Umfangsrichtung ausgerichtet (vgl. 7). Dabei sind die dritten Leitschaufeln 200 ausgebildet, den Kühlluftstrom 126 derart in Umfangsrichtung zu lenken, dass der Kühlluftstrom 126 eine Umfangsgeschwindigkeit aufweist, die einer Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe 60 auf Höhe des Ringspalts 206 im Wesentlichen entspricht. Auf diese Weise kann eine besonders geringe Relativtotaltemperatur an Scheibe 60 bereitgestellt werden.
In der Ausführungsform sind die dritten Leitschaufeln 200 an dem Innenring 130 angeordnet. Selbstverständlich können die dritten Leitschaufeln 200 auch am Außenring 145 angeordnet sein und sich radial nach innen erstrecken. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die dritten Leitschaufeln 200 eine andersartige Ausrichtung aufweisen. Insbesondere wäre denkbar, den aus dem Ringspalt 206 ausströmenden Kühlluftstrom 126 parallel zur Drehachse 40 ohne umfangsseitige Ablenkung zu führen. Insbesondere könnte hierbei auf die dritten Leitschaufeln 200 verzichtet werden, so dass ein umlaufender, zylindrischer Luftstrom 45 aus dem Ringspalt 206 in den Spalt 170 eintreten würde. Auf diese Weise kann eine besonders kostengünstige Ausbildung des Verdichters 15 bereitgestellt werden.
Der Ringspalt 206 weist in der Ausführungsform (vgl. 5) einen Winkelabschnitt α zwischen zwei dritten Leitschaufeln 200 auf, insbesondere zwischen der Leitfläche 226 und einer der Leitfläche 226 zugewandten Rückseite 227 der umfangsseitig als nächste angeordneten dritte Leitschaufel 200, von wenigstens 2 Grad, insbesondere wenigstens 5 Grad, vorteilhafterweise wenigstens 30 Grad, besonders vorteilhafterweise wenigstens 45 Grad. Dadurch kann eine punktuelle Anströmung der Scheibe 60 vermieden werden und somit eine gleichmäßige Kühlung durch den aus dem Ringspalt 206 austretenden Kühlluftstrom 126 bereitgestellt werden.
Besonders wirksam hat sich, wie in 4 gezeigt, herausgestellt, dass zusätzlich das Einströmen der Grenzschicht 180 in den Spalt 170 dadurch vermieden werden kann, dass an der Scheibe 60 eine Ausbuchtung 210 vorgesehen ist, die vorzugsweise radial außenseitig auf der zur ersten Leitschaufel 80 zugewandten Seite der Scheibe 60 angeordnet ist. Dabei ragt die Ausbuchtung 210 in den Spalt 170 hinein und reduziert somit den Querschnitt des Spalts 170 zwischen der Scheibe 60 und einer Innenseite 215 der ersten Leitschaufel 80. Sowohl die axiale als auch radiale Erstreckung der Ausbuchtung 210 sind so gewählt, dass im Betrieb des (Turbo-)Triebwerks 10 ein Anschlagen der Scheibe 60, insbesondere der Ausbuchtung 210, an der ersten Leitschaufel 80 bzw. am Außenring 145 oder am Innenring 130 vermieden wird. Vorzugsweise hat sich herausgestellt, dass sich die Ausbuchtung 210 radial am besten gegenüberliegend auf Höhe des Außenrings 145 sich in den Spalt 170 hinein erstreckt, da hierbei besonders weit radial außen das Eindringen der heißen Grenzschicht 180 in den Spalt 170 vermieden werden kann.
8 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch eine weitere Ausführungsform des in den 2 bis 7 gezeigten Verdichters 15. Der Verdichter 15 ist dabei im Wesentlichen identisch zu dem in den 2 bis 7 gezeigten Verdichter 15 ausgebildet. Abweichend dazu ist der Leitabschnitt 205 des zweiten Kanals 125 schräg, radial nach außen hin, bezogen auf die Drehachse 40, ausgerichtet. Die Ausrichtung des Leitabschnitts 205 ist dabei in der Ausführungsform derart gewählt, dass der Leitabschnitt 205 in Richtung eines radial äußeren Endes des Spalts 170 bzw. auf das radial äußere Ende der Scheibe 60 ausgerichtet ist und somit das Einströmen der heißen Grenzschicht 180 durch den Kühlluftstrom 126 vermieden wird.
9 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts einer weiteren Ausführungsform des in 8 gezeigten Verdichters 15. Der Verdichter 15 ist dabei im Wesentlichen identisch zu dem in 8 gezeigten Verdichter 15 ausgebildet. Abweichend dazu ist jedoch der Leitabschnitt 205 radial nach innen schräg zur Drehachse 40 ausgerichtet. Dies hat zur Folge, dass der Kühlluftstrom 126 ausströmend aus dem Ringspalt 206 radial nach innen in den Spalt 170 geführt wird, so dass insbesondere die Aufnahme 75 zur Fixierung der Laufschaufeln 65 gekühlt wird. Durch das Einströmen des Kühlluftstroms 126 durch den Ringspalt 206 wird ein Einströmen der Grenzschicht 180 in den Spalt 170 und somit ein Erwärmen der Scheibe 60 zuverlässig vermieden wird.
10 zeigt einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform des in 8 gezeigten Verdichters 15. 11 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch den in 9 gezeigten Verdichter 15 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen stellen eine Kombination der im Vorangegangenen in den 2 bis 8 gezeigten Ausführungsformen des Verdichters 15 dar. Dabei ist zusätzlich in 10 zu dem in 8 gezeigten Verdichter 15 die in 4 bereits erwähnte Ausbuchtung 210 an der Scheibe 60 vorgesehen. Die Ausbuchtung 210 erstreckt sich dabei in Richtung des Spalts 170 und reduziert den Querschnitt des Spalts 170 sowohl in radialer als auch in axialer Richtung. Auf diese Weise kann ein Einströmen der Grenzschicht 180 aufgrund des geringeren Querschnitts des Spalts 170 wirksam vermieden werden. Die Ausbuchtung 210 ist dabei derart ausgebildet, dass die Scheibe 60 eine abgerundete Kante 236 auf radialer Höhe des Außenrings 145 aufweist. Dabei ist an der Kante 236 eine Stirnseite 240 senkrecht zu einer Umfangsfläche 245 der Ausbuchtung 210 der Scheibe 60 ausgerichtet. Die Umfangsfläche 245 weist dabei einen geringeren Außendurchmesser auf, als der maximale Außendurchmesser der Schreibe 60 beträgt. Der Außendurchmesser der Umfangsfläche 245 ist jedoch größer als der maximale Außendurchmesser des Innenrings 130. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders wirksam gegenüber dem Einströmen der Grenzschicht 180 in den Spalt 170 herausgestellt.
Ferner ist gegenüber der in den 2 bis 9 gezeigten Ausführungsform der Zentrierbund 165 am Außenring 145 angeordnet. Die Festlegung der axialen Position der ersten Leitschaufel 80 bzw. des Außenrings 145 erfolgt, wie oben erläutert, auf die gleiche Art, jedoch schlägt hierbei der Zentrierbund 165 des Außenrings 145 zur Festlegung der axialen Position an dem Innenring 130 an. Ferner sind in dieser Ausführungsform die zweiten Durchgangsöffnungen 185 sowie die dazwischen angeordneten Flanschabschnitte 186 am Innenring 130 vorgesehen.
Der in 11 gezeigte Verdichter 15 weist gegenüber dem in 10 gezeigten Verdichter 15 abweichend eine Neigung des Leitabschnitts 205 des zweiten Kanals 125 schräg zur Drehachse 40 radial nach innen hin auf. Im Weiteren ist der in 11 gezeigte Verdichter 15 identisch zu dem in 10 gezeigten Verdichter 15 ausgebildet.
Die in den 1 bis 11 beschriebenen Merkmale der Verdichter 15 können selbstverständlich miteinander einzeln oder zusammen kombiniert werden. Ferner wird darauf hingewiesen, dass zwar in 1 beispielhaft ein mehrstufiger Verdichter 15 gezeigt wird, wobei in den 2 bis 11 seine letzte Stufe dargestellt ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass die oben beschriebenen Merkmale nicht nur an der letzten Stufe des Verdichters 15, sondern an weiteren oder anderen Stufen des Verdichters 15 einsetzbar sind.
Bezugszeichenliste

10: (Turbo-)Triebwerk
15: Verdichter
20: Brennkammer
25: Triebwerksgondel
30: Fan
35: Rotor
40: Drehachse
45: Luftstrom
50: Turbine
55: statische Struktur
60: Scheibe
65: Laufschaufel
70: Schaufelfuß
75: Aufnahme
80: erste Leitschaufel
85: Verzögerungsstufe
90: zweite Leitschaufel
95: erster Kanal
100: Brenner
105: Verbindungselement
110: Rotorkonus
115: Gehäuse
120: Gehäuseinnenraum
121: Öffnung
125: zweiter Kanal
126: Kühlluftstrom/Kühlgasstrom
130: Innenring
135: erste Durchgangsöffnung
140: Dichtungsspitze
145: Außenring
150: weiterer Ring
151: Steg
155: Dichtelement
160: Verzahnung
165: Zentrierbund
170: Spalt
175: Kanalwand
180: Grenzschicht
185: zweite Durchgangsöffnungen
186: Flanschabschnitt
190: innere Umfangsfläche
191: erste Kammer
195: zweite Kammer
200: dritte Leitschaufel
205: Leitabschnitt
206: Ringspalt
207: Kanalöffnung
210: Ausbuchtung
215: Innenseite
220: Schaufelspitze
225: innere Umfangsfläche des Außenrings
226: Leitfläche
227: Rückseite
230: Luft
235: Einlaufbelag
236: Kante
240: Stirnseite
245: Umfangsfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0447886 A1 [0002]

Claims

Verdichter (15), insbesondere Hochdruckverdichter (15), zur Förderung und Komprimierung eines Gases für eine Brennkammer (20) einer Gasturbine (10), – aufweisend einen drehbaren Rotor (35) und eine statische Struktur (55), – wobei die statische Struktur (55) zumindest teilweise stromabwärtsseitig des Rotors (35) durch einen Spalt (170) beabstandet angeordnet ist, – wobei die statische Struktur (55) zumindest einen Kühlgaskanal (125) umfasst, der mit der Brennkammer (20) verbindbar ist, – wobei der Kühlgaskanal (125) eine Kanalöffnung (207) umfasst, die in den Spalt (170) mündet, so dass durch den Kühlgaskanal (125) ein Kühlgasstrom (126) von der Brennkammer (20) zum Spalt (170) bereitstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kanalöffnung (207) des Kühlgaskanals (125) als Ringspalt (206) ausgebildet ist, der in Richtung des Rotors (35) ausgerichtet und ausgelegt ist, den Kühlgasstrom (126) aus dem Kühlgaskanal (125) zumindest teilweise in Richtung des Rotors (35) zu führen.
Verdichter (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlgaskanal (125) wenigstens eine Leitschaufel (200) vorgesehen ist, wobei die Leitschaufel (200) eine Leitfläche (226) umfasst, die schräg zu einer Drehachse (40) des Rotors (35) ausgerichtet ist.
Verdichter (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (206) wenigstens einen Winkelabschnitt von wenigstens 2 Grad, insbesondere wenigstens 5 Grad, vorteilhafterweise wenigstens 30 Grad, besonders vorteilhafterweise wenigstens 45 Grad umfasst.
Verdichter (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die statische Struktur (55) einen Innenring (130) und einen radial außen liegend zum Innenring (130) angeordneten Außenring (145) umfasst, wobei zwischen dem Innenring (130) und dem Außenring (145) der Kühlgaskanal (125) zumindest teilweise angeordnet ist und der Innenring (130) mit dem Außenring (145) den Ringspalt (206) ausbilden.
Verdichter (15) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die statische Struktur (55) ein Gehäuse (115) mit einem Gehäuseinnenraum (120) umfasst, wobei das Gehäuse (115) an der Brennkammer (20) anordenbar und mit dem Innenring (130) verbunden ist, wobei zwischen dem Außenring (145) und dem Innenring (130) eine Ausgleichskammer (191, 195) vorgesehen ist, wobei der Außenring (145) und/oder der Innenring (130) zumindest eine Durchgangsöffnung (135) umfassen, die den Gehäuseinnenraum (120) mit der Ausgleichskammer (191, 195) verbindet.
Verdichter (15) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (200) zwischen der Kanalöffnung (207) und der Ausgleichskammer (191, 195) angeordnet ist.
Verdichter (15) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (200) am Außenring (145) angeordnet ist und sich radial nach innen in Richtung des Innenring (130) erstreckt oder dass die Leitschaufel (200) am Innenring (130) angeordnet ist und sich radial nach außen in Richtung des Außenring (145) erstreckt.
Verdichter (15) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (130) einen Zentrierbund (165) umfasst, der angrenzend an die Ausgleichskammer (191, 195) angeordnet ist, wobei der Zentrierbund (165) ausgebildet ist, eine axiale Verschiebung des Außenrings (145) in Richtung des Spalt (170) durch ein Anschlagen des Außenrings (145) am Zentrierbund (165) zu blockieren oder dass der Außenring (145) einen Zentrierbund (165) umfasst, der angrenzend an die Ausgleichskammer (191, 195) angeordnet ist, wobei der Zentrierbund (165) ausgebildet ist, eine axiale Verschiebung des Außenrings (145) in Richtung des Spalt (170) durch ein Anschlagen des Innenrings (130) am Zentrierbund (165) zu blockieren.
Verdichter (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlgaskanal (125) angrenzend an die Kanalöffnung (207) einen Leitabschnitt (205) umfasst, wobei der Leitabschnitt (205) geneigt oder parallel zu Drehachse (40) des Rotors (35) ausgerichtet ist.
Verdichter (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (60) eine Ausbuchtung (210) umfasst, wobei die Ausbuchtung (210) sich in axialer Richtung in Richtung der statische Struktur (55) erstreckt und ausgebildet ist, einen Querschnitt des Spalts (170) in axialer Richtung zu reduzieren.
Verdichter (15) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtung (210) radial auf Höhe des Außenrings (145) der statische Struktur (55) angeordnet ist.
Gasturbine (10), insbesondere ein Turbotriebwerk (10), aufweisend ein Verdichter (15) und eine Brennkammer (20), wobei die Brennkammer (20) stromabwärtsseitig an dem Verdichter (15) angeordnet ist, wobei der Verdichter (15) ausgebildet ist, einen Gasstrom zu komprimieren und in die Brennkammer (20) zu fördern, wobei der Verdichter (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist, wobei der Kühlgaskanal (125) mit der Brennkammer (20) verbunden und ausgelegt ist, den Kühlgasstrom (126) von der Brennkammer (20) in den Spalt (170) bereitzustellen, um Einströmen einer Verdichtergrenzschicht (180) in den Spalt (170) zu reduzieren.