DE1220670B

DE1220670B - Cooling device for gas turbine engines

Info

Publication number: DE1220670B
Application number: DEG36662A
Authority: DE
Inventors: Robert Lucien Levesque; Roger Milton Babcock
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-12-18
Filing date: 1962-12-18
Publication date: 1966-07-07

Description

kühleinrichtung für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für Gasturbinentriebwerke, bei welchen Kampressorluft durch .den Raum zwischen der Brennkammerwandung und dem äußeren Triebwerk'sgehäuse in einen Flansch geleitet wird, der das Turbinengehäuse trägt, wobei das Triebwerk mit zwei in axialem Abstand voneinander angeordneten Tragflanschen für das Turbinengehäuse ausgerüstet ist.Cooling Device for Gas Turbine Engines The invention relates to on a cooling device for gas turbine engines, in which Kampressorluft through .the space between the combustion chamber wall and the outer engine casing in a flange that supports the turbine housing, the engine with two axially spaced support flanges for the turbine housing is equipped.

Es ist bereits ein Gasturbinentriebwerk mit einer ringftinniigen Brennkammer bekannt, bei welchem in den die Brennkammer umgebenden Raum vom Kompressor Luft eingeleitet wird. Diese Luft kann an einem Marschansatz in eine Luftleitung eintreten, und diese Kühlluft kann ,dann in ein doppelwandiges Turbinengehäuse eintreten, welches stromabwärts liegt. Es ist auch bereits bekannt, bei einem Gastur= binentriebwerk die vom Kompressor abgezapfte Kühlluft radial durch Leitschaft feln von innen nach außen 'hindurch zu leiten, wobei diese Kühlluft dann vom rädtal äußeren Ende ,der Leitschaufeln in Ktü'hlleifungen eingegeben werden Ünn. Dieser Rufhau hat den Nach teil,'daß die Temperatur der Kühlluft innerhalb der Leitschaufeln außerordentlich stark erhöht .Wird, so daß eine ausreichende Kühlung der nachfolgenden Flarische nicht mehr -sichengegtellt .ist.It is already a gas turbine engine with an annular combustion chamber known in which in the space surrounding the combustion chamber from the compressor air is initiated. This air can enter an air duct at a march approach, and this cooling air can then enter a double-walled turbine housing, which downstream. It is already known in a gas turbine engine the cooling air drawn off by the compressor is fed radially through the guide shaft from the inside outside 'to pass through, with this cooling air then from the rädtal outer end, the Guide vanes are entered in Ktü'hlleifungen Ünn. This Rufhau has the night part, 'that the temperature of the cooling air inside the guide vanes is extraordinary greatly increased .Will, so that a sufficient cooling of the following Flarian is no longer -secured.

Es ist bei der Konstruktion von Grasturbinentriebwerken ganz allgemein wünschenswert, der Turbine des Gasturbinentriebwerks die Brennkammerabgase mit möglichst hohen Temperaturen zuzufäihren. Die beim Bau der Turbine verwendeten Metalle können aber durch Gase hoher Temperatur werden. Es -hat sich nunmehr gezeigt, daß es mit den `bekannten Kühlvorrichtungen rieht immer möglich ist, die Metallbauteile des Triebwerkes derart stark zu kühlen, daß mit den gewümähten hohen Betriebstemperattiren der Brenngase gearbeitet werden kann. Prinzipiell wurde bisher in derWeise gekühlt, daß die komptimierte Luft aus der Umgebung der Brennkammer herausgeführt wird und auf die heißen Teile der Turbine gerichtet wird. Im allgemeinen ist die Umgebung der Brennkanmner w$gen der Nähe der Turbine ein geeigneter Ort ider 'Abzapfung der Kühlluft.'Dä-in der komprim%erben Luft in .der Umgebung ,der Brennkammer Kohlenstoff und andere Fremdkörper vorhanden -sind, können jedoch -die Kühllnftleitungen durch Abscl%eiduxxgen und Niedersublaage verstopft werden, und es ist ,dann nicht mehr möglich, die eifonderliche Kühlung durchzuführen und Bescüädigungen dar Turbine zu vermeiden.It is very common in the design of gas turbine engines desirable, the turbine of the gas turbine engine with the combustion chamber exhaust gases as possible to supply high temperatures. The metals used in the construction of the turbine can but by gases of high temperature. It has now been shown that it is with the `` known cooling devices '' is always possible to use the metal components of the To cool the engine to such an extent that with the desired high operating temperatures the fuel gases can be worked. In principle, cooling has so far been used that the compressed air is led out of the vicinity of the combustion chamber and directed at the hot parts of the turbine. In general, the environment is the combustor is a suitable place to be close to the turbine for tapping the Cooling air.'Dä-in the compressed air in .the environment, the combustion chamber inherit carbon and other foreign bodies are present, but they can pass through the cooling ventilation ducts Abscl% eiduxxgen and Niedersublaage become clogged, and it is, then no more possible to carry out special cooling and damage to the turbine to avoid.

Das es bei modernen Gasturbinentriebwerken wünschenswert ist, die Abgase auf höhere Temperaturen -zu erhitzen als die Metalle mit -Sicherheit aus- W. ten können,, wenn keine Kfvorrichtuilgen vor- gesehen Bind, fährt eine Verstopfung der Kühlluft- leitungen oder Kühlluftkanäle zu eiher überhitzung der Turbine, und dadurch kann das Triebwerkschwer beschädigt werden. Weiterhin können abgelagen* Kohlenstofffeilchen der Kählluftfeitungen brennen, und dies kann zu eiher Erosion des Metglls und zu Kaditationsbildungen firn Metall führen. _5i- Der - Der vorbegenden Erfindung liegt die Aufgabo<`i- grunde, eine Kö hleinrichtung für'Gäatu'rbiAent werke zu schaffen, welche die Austrittsluft `des;lZdffi= pressors in der Umgebung der Brennknetj@@uf- nimmt, wobei diese Kühleinrichtung derart geltet ist, datdiese nicht durch Kohlenstoff oder')g Fremdkörper verstopft werden kann. Erfifdvngsgemäß erstreckt sich "eine AUe= wa Kühllufrleittingsröhren aus dem 'Luftrau:@ise`n der Btennkammerwandung 'und dem äuWeri Tt.Ühs werksgeh`äuse durch den stromaufwarts!'-gelenb4 Flansch hindurch in den stromabwaM `: lgelegeü@ft Flansch `hinein, und die stromaufwärts - igewenen Eiiden `der Kühlluftleitungsrohre sind=wer@clfas`s; und diese Rohre weisen Öffnungen 9au#; @tlis"ii kleineren Querschnitt haben als das@tlfr,'>tiütl@e Öffnungen sind im stromaufwärts 13e c Röhres'unter rechtem Winkel zur Str'än-uh-g'xli- ,L'dt durch `den Luftraum,hindurch angeitliki, ^,ltthd 1der stromaufwärts gelegene Flansch ist mit Luftleitungen versehen, die mit dem' Innern der Kiihlluftleitungsrohre in Verbindung stehen.That it is desirable in modern gas turbine engines to heat the exhaust gases to higher temperatures than the metals with safety from If you do not have any seen bind, a blockage of the cooling air Lines or cooling air ducts tend to overheat the turbine, and this can make the engine heavy to be damaged. You can also deposit * Carbon particles the cooling air lines burn, and this can lead to erosion of the metal and lead to caditation formation in metal. _5i- The - The present invention is the task <`i- grunde, a charcoal facility for'Gäatu'rbiAent works to create the outlet air `des; lZdffi = pressors in the vicinity of the Brennknetj @@ uf- takes, this cooling device applies in such a way is that this is not caused by carbon or ') g Foreign bodies can become clogged. According to the invention, "an AUe = wa" extends Kühllufrleittingröhren from the 'Luftrau: @ ise`n der Btennkammerwandung 'and the äuWeri Tt.Ühs factory housing through the upstream! '- gelenb4 Flange through into the downstream water: Flange `into it, and the upstream - igewenen Eiiden `the cooling air ducts are = who @ clfas`s; and these tubes have openings 9au #; @tlis "ii have a smaller cross-section than the @ tlfr, '> tiütl @ e Openings are in the upstream 13e c Röhres' at right angles to Str'än-uh-g'xli-, L'dt through `the airspace, through angeitliki, ^, ltthd 1der upstream flange is provided with air ducts communicating with the interior of the cooling air ducts.

In den Figuren :der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung .dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Gastürbinentriebwerkes, welche die Anordnung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung zeigt, F i g. 2 eine vergrößerte Detailansicht des Kühlrohres und dessen Anordnung und Einbau und F i g. 3 -eine Detailansicht, teilweise im Schnitt, des Teils des Kühlrohres, welches sich in die Umgebung der Brennkammer erstreckt.In the figures: the drawing is an embodiment of the invention .shown. It shows F i g. 1 is a schematic view of a gas turbine engine, which shows the arrangement of the cooling device according to the invention, FIG. 2 one enlarged detailed view of the cooling pipe and its arrangement and installation and F i G. 3 - a detailed view, partly in section, of the part of the cooling tube which extends into the vicinity of the combustion chamber.

Wie F i g. 1 zeigt, weist das Gasturbinentriebwerk einen Kompressor 1, einen Brennkammerabschnitt 2 und eine Turbine 3 auf. Luft wird vom Kompressor 1 komprimiert. Die -letzte Kompressorstufe des Kompressors 1 weist Rotorschaufeln 4 und Leitschaufeln 5 auf. Aus dem Kompressor 1 wird die Luft durch Diffusorschaufeln 6 zum Brennkammerabschnitt 2 geleitet. Der Brennkammerabschnitt 2 weist eia äußeres Gehäuse 7, ein inneres Gehäuse 8 und .eine Brennkammer 9 :auf, die - zwischen den Gehäusen 7 und 8 angeordnet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Brennkammer 9 um den Umfang des Triebwerkes herum, @d. h., die Brennkammer ist ringförmig ausgebildet. Selbstverständlich können auch eine Anzahl zylindrischer Brennkammern verwendet werden.Like F i g. 1 shows the gas turbine engine has a compressor 1, a combustion chamber section 2 and a turbine 3. Air is from the compressor 1 compressed. The last compressor stage of the compressor 1 has rotor blades 4 and guide vanes 5. The air is extracted from the compressor 1 through diffuser blades 6 passed to the combustion chamber section 2. The combustion chamber section 2 has an exterior Housing 7, an inner housing 8 and .ein combustion chamber 9: on, the - between the Housings 7 and 8 is arranged. In the illustrated embodiment extends the combustion chamber 9 around the circumference of the engine, @d. i.e., the combustion chamber is ring-shaped. Of course, a number of cylindrical Combustion chambers are used.

Es kann eine Ablenkkante 12 iam vorderen Ende der ringförmigen Brennkammer 9 vorgesehen sein, welche die Kompressoraustrittsluft in einen äußeren und inneren Strom unterteilt. Diese Ströme werden in die Lufträume 13 und 14 geleitet, die zwischen der Brennkammer 9 arid dem äußeren Gehäuse 7 und dem inneren Gehäuse 8 angeordnet sind. In den Wandungen der Brennkammer 9 sind Öffnungen 15 angeordnet, die ein Eintreten der komprimierten Luft aus den Räumen 13 und 14 in das Innere der Brennkammer erlauben. Diese Luft erhält in der Brennkammer die Verbrennung aufrecht. Der in der Brennkammer 9 verbrennende Brennstoff wird über eine Leitung der Brennkammer zugeführt, welche die Brennstoffdüse 16 aufweist. Durch die Verbrennung innerhalb der-Kammer9 werden Verbrennungsprodukte hoher Temperatur erzeugt. Es ist :ganz allgemein wünschenswert, die Temperatur der Verbrennungsprodukte am Turbineneintritt auf dem höchstmöglichen Weit zu halten. Dieser höchstmögliche Temperaturwert wird durch die Eigenschaften des Metalles bestimmt, das beim Aufbau der Turbine 3 verwendet wird.There may be a baffle 12 at the forward end of the annular combustion chamber 9 be provided, which the compressor outlet air in an outer and inner Stream divided. These flows are directed into the air spaces 13 and 14, which between the combustion chamber 9 arid the outer housing 7 and the inner housing 8 are arranged are. In the walls of the combustion chamber 9 openings 15 are arranged, which allow entry allow the compressed air from the spaces 13 and 14 into the interior of the combustion chamber. This air maintains the combustion in the combustion chamber. The one in the combustion chamber 9 burning fuel is fed via a line to the combustion chamber, which the fuel nozzle 16 has. Through the combustion within the chamber9 will be High temperature combustion products generated. It is: generally desirable the temperature of the combustion products at the turbine inlet to the highest possible To hold far. This highest possible temperature value is determined by the properties of the metal that is used in the construction of the turbine 3.

Die Turbine 3 weist ein Turbinengehäuse 20 auf, welches bei 21 am Gehäuse 7 befestigt ist. Das Turbinengehäuse 20 ist mit sich nach innen erstreckenden Flanschen 22 und 23 versehen, welche die Turbinenwandungen 24 und 25 tragen. Am Austrittsende der Brennkammer 9 sind -Düsenleitschaufeln 26 vorgesehen, welche die Verbrennungsprodukte hoher Temperatur auf die erste und die' zweite Stufe 27, 28 der Turbine leiten. Wie gezeigt, halten die Flansche 22 und 23 die Turbinenwandungsteile 24 und 25 .derart, daß diese Wendungsteile 24 und 25 dicht bei den Spitzen der Turbinenschaufeln 27 und 28 liegen. Während des Betriebes können die Turbinenflansche 22 und 23 und insbesondere die Turbinenwandungs= teile 24 und 25 beschädigt werden, wenn die Temperatur des Metalls außerordentlich hoch werden kann. Um die Turbinenteile gegen außerordentlich hohe Temperaturen zu schützen, und um dennoch zu ermöglichen, daß die Verbrennungsprodukte aufhöhere Temperaturen erhitzt werden können, als -es sonst möglich -wäre,sind Kühleinrichtungen zur Kühlung der Metallteile der Turbine vorgesehen.The turbine 3 has a turbine housing 20, which at 21 on Housing 7 is attached. The turbine housing 20 is with inwardly extending Flanges 22 and 23 are provided which carry the turbine walls 24 and 25. At the The outlet end of the combustion chamber 9 is provided with nozzle guide vanes 26, which the High temperature combustion products to the first and second stages 27,28 direct the turbine. As shown, the flanges 22 and 23 hold the turbine wall parts 24 and 25 .derart that these turning parts 24 and 25 close to the tips of the turbine blades 27 and 28 lie. During operation, the turbine flanges 22 and 23 and in particular the turbine wall parts 24 and 25 are damaged when the temperature of the metal can become extremely high. To the turbine parts against extraordinarily to protect high temperatures, and yet to allow the products of combustion Can be heated to higher temperatures than - otherwise possible - are cooling devices intended for cooling the metal parts of the turbine.

Die Kühlung der Teile der Turbine, die eine hohe Temperatur aufweisen, kann über innere Kühlluftleitungsrahre 31 erfolgen, die sich in den Raum 13 hinein erstrecken. Obwohl in der Zeichnung lediglich ein Kühlluftleitungsrohr dargestellt ist, ist es selbstverständlich, :daß praktisch eine Anzahl von Kühlluftleitungsrohren, vorzugsweise um den Umfang .des Turbinengehäuses 20 herum, angeordnet wird. Selbstverständlich können sich ähnliche Kühlluftleitungsrohre auch in den Raum 14 hinein erstrecken, um eine Kühlung anderer hocherhitzter Teile der Turbine zu bewirken.The cooling of the parts of the turbine that have a high temperature, can take place via inner cooling air ducts 31 which extend into space 13 extend. Although only one cooling air duct is shown in the drawing is, it goes without saying: that practically a number of cooling air ducts, is preferably arranged around the circumference of the turbine housing 20. Of course similar cooling air ducts can also extend into space 14, to cool other highly heated parts of the turbine.

Wenn (das Triebwerk läuft, kann eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkammer 9 zur Bildung eines Kohlenstoffnieder3chlagas an der Wandung der Brennkammer 9 führen. Dieser Niederschlag kann dann von den Wandungen abgerissen werden und kann die komprimierte Luft in den Räumen 13 und 14 verunreinigen. Es ist ebenfalls möglich, daß Fremdstoffteilchen vom Triebwerk eingesaugt werden und daß diese Teilchen durch die komprimierte Luft in die Räume 13 und 14 hineingetragen werden. Es ist zu erkennen, daß die Kühlluftleitungsrohre 31 in einem Teil des Triebwerkes angeordnet sind, in dem die komprimierte Luft leicht verschmutzt sein kann. Es ist deshalb wünschenswert, die Kühlluftleitungsrohre 31 .derart auszubilden, -daß diese die verhältnismäßig kühle komprimierte Luft aufnehmen, ohne jedoch dabei -die von der Luft mitgeführten Verunreinigungen einzusaugen. Andernfalls könnten die Kühlluftleitungsrohre verstopft werden, und die erforderliche Kühlung könnte-dadurch beeinträchtigt werden oder sogar ganz .ausfallen.If (the engine is running, incomplete combustion of the Fuel in the combustion chamber 9 to form a carbon precipitate the wall of the combustion chamber 9 lead. This precipitate can then be removed from the walls are torn off and can contaminate the compressed air in rooms 13 and 14. It is also possible for foreign matter particles to be sucked in by the engine and that these particles are carried into the spaces 13 and 14 by the compressed air will. It can be seen that the cooling air ducts 31 are in a part of the engine are arranged in which the compressed air can be easily polluted. It is Therefore, it is desirable to design the cooling air ducts 31 absorb the relatively cool compressed air without, however, -the of sucking in contaminants carried in the air. Otherwise, the cooling air ducts could become clogged, and the required cooling could be impaired thereby or even completely fail.

Wie insbesondere die F i g. 2 und 3 zeigen, weist jedes Kühlluftleitungsrohr 31 einen axial sich erstrekkenden inneren Durchgangskanal 32 auf. Das vordere Ende des Kühlluftleitungsrohres 31 kann, wie dargestellt, zusammengedrückt sein oder gegebenenfalls mit einem Stopfen versehen sein, um einen Lufteintritt am Vorderende des Kühlluftleitungsrohres zu verhindern. Eine Anzahl von Öffnungen 34 ist in der Wandung des Kühlluftleitungsrohres vorgesehen. Diese Öffnungen sind derart angeordnet, daß deren Achsen senkrecht zur Richtung :der Luftströmung im Raum 13 gerichtet sind. Dadurch, @daß die Achsen der Öffnungen 34 rechtwinklig zur Strömungsrichtung der Luft angeordnet .sind, kann die Kühlluft selbst in ,den inneren Kanal 32 des Kühlluftleiiungsrohres 31 eintreten. Die von .der komprimierten Luft mitgeführten Fremdkörper können jedoch nicht die erforderliche Bewegungsrichtungsänderung durchführen, um unter einem rechten Winkel in :das Innere des Kühlluftleitungsrohres einzutreten: Praktisch werden die Fremdkörper durch die Öffnungen 34 abgewiesen.As in particular the F i g. 2 and 3 show each cooling air conduit tube 31 has an axially extending inner passage 32. The front end of the cooling air duct 31 can, as shown, be compressed or optionally be provided with a plug to allow an air inlet at the front end to prevent the cooling air duct. A number of openings 34 are in the Wall of the cooling air pipe provided. These openings are arranged in such a way that that their axes are perpendicular to the direction of the air flow in space 13. Because the axes of the openings 34 are perpendicular to the direction of flow of the Air .sind arranged, the cooling air itself can in, the inner channel 32 of the Kühlluftleiiungsrohres 31 enter. However, the foreign bodies carried along by the compressed air can do not make the required change in direction of movement to go under a right Angle in: to enter the inside of the cooling air duct: They are practical Foreign bodies are rejected through the openings 34.

Falls jedoch Kohlenstoff oder andere Verunreinigungen eine der Öffnungen 34 verstopfen sollte, so sichern die verbleibenden, nicht verstopften öffnungen eine ausreichende Strömung von Kühlungsluft zu den hocherhitzten Teilen der Turbine 3. Vorzugsweise haben die Öffnungen 34 kleinere Querschnittsabmessungen -als der innere Kanal 32, so @daß der Kanal 32 keinesfalls verstopft wird, wenn irgendein festes Teilchen durch die Öffnungen 34 hindurchgehen sollt--.If, however, carbon or other impurities should clog one of the openings 34, the remaining, non-clogged openings ensure a sufficient flow of cooling air to the highly heated parts of the turbine 3. Preferably, the openings 34 have smaller cross-sectional dimensions than the inner channel 32, so @ that the channel 32 is in no way clogged if any solid particle is to pass through the openings 34 -.

Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, sind die Gehäuseflansche 22 und 23 mit Luftleitungen 40 und 41 versehen, durch die Kühlluft geleitet wird, um die Flansche und die Turbinenwandungen 24 und 25, die von den Flanschen getragen werden, zu kühlen. Um die Luftleitungen 40 und 41 mit Kühlluft aus der Umgebung der Brennkammer 9 zu 'beschicken, leiten die Kühlluftleitungsrohre 31 Luft direkt in die Luftleitung 41. Die Luft tritt aus dem stromabwärts gelegenen offenen Ende 35 des Kühlluftleitungsrohres 31 .direkt in die Luftleitung 41 ein. In die Wandung des Kühlluftleitungsrohres 31 ist eine Öffnung 36 eingeschnitten, durch welche Kühlluft der Luftleitung 40 zugeleitet wird.As the F i g. 1 and 2 show the housing flanges 22 and 23 provided with air ducts 40 and 41 through which cooling air is directed to the flanges and to cool the turbine walls 24 and 25 carried by the flanges. In order to supply the air lines 40 and 41 with cooling air from the vicinity of the combustion chamber 9 'Charge, the cooling air ducts 31 direct air into the air duct 41. The air exits from the downstream open end 35 of the cooling air conduit tube 31 .directly into the air line 41. In the wall of the cooling air pipe 31, an opening 36 is cut, through which cooling air of the air duct 40 is forwarded.

Claims

Patent claim: Cooling device for gas turbine engines, in which compressor air is passed through the space between the combustion chamber wall and the outer engine casing into a flange which carries the turbine casing, the engine being equipped with two axially spaced support flanges for the turbine casing, characterized in that that a number of cooling air ducts (31) extend from the air space between the combustion chamber wall and the outer engine casing through the upstream flange (22) into the downstream flange (23), that the upstream ends (33) of the cooling air ducts (31) are closed so that these tubes have openings (34) which have a smaller cross-section than the tube and which are arranged in the upstream end of the tube at right angles to the flow of air through the air space and that: the upstream flange ch (22) is equipped with air ducts (40) which are in communication with the interior of the cooling air ducts. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1108 516; Austrian Patent No. 135 262; British Patent No. 744,548; U.S. Patent No. 1791732.