DE1951356A1

DE1951356A1 - Gasturbine fuer Luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE1951356A1
Application number: DE19691951356
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl-Ing Grieb
Original assignee: Daimler Benz AG; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: Daimler Benz AG; MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1969-10-11
Filing date: 1969-10-11
Publication date: 1971-04-29
Also published as: GB1287983A; DE1951356C3; FR2065179A5; US3651645A; DE1951356B2

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 8296/4

Stuttgart-Untertürkheim 8. Oktober 1969

"Gasturbine für Luftfahrzeuge"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine für Luftfahrzeuge, besonders auf ein Strahltriebwerk, mit luftgekühlten Turbinenschaufeln, deren Kühlluft,unmittelbar oder mittelbar einer Verdichterstufe entnommen wird. Bei derartigen Gasturbinen wird eine Vergrößerung der Leistung durch Elrhöhen der Turbineneingangstemperatur der Arbeitsgase angestrebt. Dem sind aber durch die Warmfestigkeit der verfügbaren Werkstoffe Grenzen gesetzt. Die Verwendung stark verdichteter Luft zur Verbesserung der Schaufelkühlung ergibt zwar ein günstiges Druckgefälle für den Kühlluftstrom, vermindert aber andererseits die Kühlwirkung durch die mit der Verdichtung verbundene Erwärmung der Kühlluft. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel zu beseitigen und eine Leistungssteigerung der Gasturbine durch eine wirkungsvolle Kühlung der Turbinenschaufeln zu ermöglichen. Dies geschieht erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher mit geschlossenem Kreislauf, dessen wärmeaufnehmender Teil im Kühlluftkanal zwischen dem Verdichter und dem Turbinenläufer angeordnet ist. Dadurch läßt sich auch mit stark verdichteter Kühlluft eine gute Schaufelkühlung-verwirklichen, so daß auch hohe Turbineneintrittstemperaturen möglich sind. Auf diese Weise wird durch die Pirfindung eine Erhöhung der Turbinenleistung oder, bei gleicher Leistung, ein geringes Baugewicht und kleinere Abmessungen der Gasturbine erzielt.

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Der Wärmetauscher läßt sich erfindungsgemäß so in der Gasturbine an- " ordnen, daß der wärme aufnehm ende Teil des Wärmetauschers zwischen der Läuferwelle und den Brennkammern in einem Ringraum angeordnet ist, der einerseits mit den Verdichteraustrittsdiffusoren, andererseits mit den Schaufeln mindestens der ersten Turbinenstufe verbunden ist. Durch diese -Anordnung erhält man zur Sehauf ölkühlung hochverdichtete Luft, die genügend Wärme aufnehmen kann und überdies ein gutes Druckgefälle ergibt. Dadurch, daß nur die thermisch am stärksten beanspruchten Turbinenstufen mit gekühlter Verdichterluft versorgt werden, kann man in vorteilhafter Weise mit einem kleinen Wärmetauscher auskommen, so daß der bauliche Aufwand im Vergleich zum Leistungsgewinn nicht ins Gewicht fällt. .

Der wärmeabgebende Teil des Wärmetauschers kann nach der Erfindung am Einlauf des Verdichters angeordnet sein. Dies hat den Vorzug, daß die vorbeiströmende Luft an dieser Stelle ihre geringste Temperatur aufweist. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung für Zweistrom-Strahltriebwerke ist der wärmeabgebende Teil im Bypasskanal angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht bei geringem zusätzlichen Bauaufwand eine günstige Wärmeübertragung an die im Bypasskanal strömende Luft.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor. Die Zeichnung zeigt Beispiele der F.rfindung und zwar in

Fig. 1 das Schema eines Einstrom-Strahltriebwerkes, in Fig. 2 das Schema eines Zweistrom-Strahltriebwerkes, in

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Fig. 3 eine Darstellung des Wärmetauschers für die 5 chaufel kühlung eines Strahltriebwerkes nach Fig. 2 und in

Fig. 4 ein Schaltschema eines Wärmetauschers.

Im Gehäuse 11 des in Fig,-1 gezeigten Einstrom-Strahltriebwerkes sind auf einer Welle 12 ein Niederdruckverdichter 13 und eine Niederdruckturbine 14 sowie auf einer dazu koaxialen Hohlwelle 15 ein Hochdruckverdichter IG und eine Hochdruckturbine 17 befestigt. Mit 155 sind die Brennkammern des Strahltriebwerkes bezeichnet. Die Schaufeln 19 der ersten Turbinenstufe 20 sind durch Druckluft gekühlt, die der letzten Stufe 21 des Hochdruckverdichters 16 entnommen ist. Die Kühlluft wird dazu durch den zwischen der Hohlwelle 15.und den Brennkammern 18 gebildeten Ringraum 22 geführt. In den Ringraum 22 ist der wärme aufnehm ende Teil 23 eines Wärmetauschers 24 mit geschlossenem Kreislauf angeordnet. Der wärmeabgebende Teil 25 ist am Verdichtereinlauf 26 befestigt und durch Leitungen 27 und 28 mit dem wärmeaufnehmenden Teil 23 verbunden. -.--J₁'

Demgegenüber ist bei dem in Fig. 2 gezeigten Zweistrom-Strahltriebwerk der wärmeabgebende Teil 29 eines Wärmetauschers 30 mit ebenfalls geschlossenem Kreislauf in dem von einem !Mantel 31 umschlossenen und durch ein Gehäuse 32 nach innen begrenzten Bypasskanal 33 untergebracht. Der wärmeaufnehmende Teil 34 ist, ähnlich wie im Beispiel nach Fig. 1, in einem Ringraum 35 zwischen Brennkammern 36 und einer Hohlwelle 37 angeordnet. Die Hohlwelle 37 verbindet einen Hochdruckverdichter 38 mit einer Hochdruckturbine 39. Durch die Hohlwelle 37 ist eine Welle 40 für einen Niederdruckverdichter 41 und eine Niederdruckturbine 42 geführt.

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Leitungen 43 und 44 verbinden den wärmeaufnehmenden Teil 34 mit dem wärmeabgebenden Teil 29 des Wärmetauschers 30.

Das in Fig. 3 teilweise dargestellte Zweistrom-Strahltriebwerk stimmt im wesentlichen Aufbau mit demjenigen der Fig. 2 überein. In einem Gehäuse 45 sind eine Welle 46 für einen nicht dargestellten Niederdruckverdichter und eine Niederdruckturbine 48 sowie eine diese umgebende Hohlwelle 49 für einen Hochdruckverdichter 50 und eine Ilochdruckturbine 51 gelagert. 52 sind Laufschaufeln und 53 Leitschaufeln der letzten Stu-", fe 54 des Hochdruckverdichters 50. Verdichteraustrittsdiffusoren 55 münden in Brennkammern 56, in denen jeweils ein Flammrohr 57 mit einer Kraftstoffzuführungsleitung 58 angeordnet ist. Leitschaufeln 59 und Laufschaufeln 60 der ersten Turbinenstufe 61 schließen sich an. 62 ist der Bypasskanal des Zweistrom-Strahltriebwerkes.

Die Brennkammern.56 weisen jeweils im Bereich des Verdichteraustrittdiffusors 55 Offnungen 63 auf, .durch die ein Teil der verdichteten Luft in einen zwischen der Hohlwelle 49 und den Brennkammern 56 liegenden Ringraum 64 überströmen kann. Von dort wird die Luft über einen durch Labyrinthdichtungen 65 abgedichteten Ringkana] 66 dor eisten Turbinenstufe 61 zugeführt. Die Laufschaufeln 6 0 dieser Stufe haben Hohlräume 6 7, die mit.der Schaufeloberfläche in Verbindung stehen, so daß die verdichtete Luft austreten und die thermisch besonders stark belasteten Laufschaufeln 60 kühlen kann.

Im Ringraum 64 ist der wärmeaufnehmende Teil 68 eines Wärmetauschers 69 mit geschlossenem Kreislauf angeordnet. 7*?ine-"Leitung 70 'führt vom wärmeaufnehmenden Teil 68 im Bereich des Verdichteraus-

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trittsdiffus ors 55 zum wärme abgebenden Teil 71, der im Bypasskanal 62 des Strahltriebwerkes untergebracht ist. Vom wärmeabgebenden Teil 71 führt eine Leitung 72 zu einer nicht dargestellten Umwälzpumpe für das Kühlmittel und von dort eine weitere, parallel zur Leitung 70 laufende Leitung 73 zurück zum wärmeaufnehmenden Teil 68 des Wärmetauschers 69. Die beiden Leitungen 70 und 73 sind innerhalb des Verdichteraustrittsdiffusors 55 durch eine Hohlrippe 74 verkleidet. Der warm eaufnehm ende Teil 68 bzw. der wärmeabgebende Teil 71 sind in gleichmäßig über den Umfang des Ringraumes 64 bzw. des Bypasskanales 62 verteilten parallelgeschalteten Wärmetauschergruppen, beispielsweise aus Rohrschlangen, angeordnet.

Im Betrieb kühlt der wärmeaufnehmende Teil 68 des Wärmetauschers 69 die den Verdichteraustrittsdiffusoren 55 entnommene hochverdichtete und stark erhitzte Luft, die durch den Ringraum 64 strömt. Das dabei erwärmte Kühlmittel fließt durch die Leitung 70 zum wärmeabgebenden Teil 71 des Wärmetauschers 69 und gibt dabei Wärme an die im Bypasskanal 62 strömende weniger stark verdichtete und verhältnismäßig kühle Luft ab. Durch die Umwälzpumpe wird das Kühlmittel wieder dem wärmeaufnehmenden Teil 68 durch die Leitung 73 zugeführt.

Die gekühlte Verdichterluft strömt vom Ringraum 64 über den Ringkanal 66 in die Hohlräume 67 der Laufschaufeln 60 der ersten Turbinenstufe Durch nicht dargestellte Öffnungen tritt die Luft aus den Laufschaufeln 60 aus und kühlt deren thermisch hoch beanspruchte Oberflächen. Die durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher erzielte Temperatursenkung der hochverdichteten Kühlluft verbessert die Schaufelkühlung und erlaubt da-

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durch die Anwendung höherer Drücke und Temperaturen der Arbeitsgase. Dies führt zu einer wesentlichen Steigerung des spezifischen Schubes oder ermöglicht den Bau leichterer und kleinerer Strahltriebwerke.

Die Kühlluft kann statt dem Verdichterdiffusor, wie das Beispiel zeigt, auch unmittelbar einer Verdichterstufe entnommen werden. Außer der ersten Turbinenstufe kann bei Bedarf auch noch für weitere Stufen ge-F- kühlte Verdichterluft abgezweigt werden, während die restlichen Turbinenstufen, soweit nötig, mit ungekühlter Verdichterluft versorgt werden. Die Turbinenleitschaufeln können mit ungekühlter Verdichterluft gekühlt werden, wobei gegebenenfalls der Luftdurchsatz der ersten Stufe etwas erhöht wird. ^

Der in Fig. 4 in einem Schaltschema dargestellte \\ ärmetauscher 75 mit geschlossenem Kreislauf besteht im wesentlichen aus dem wärmeaufnehmenden Teil 76 und dem wärmeabgebenden Teil 77 sowie aus einer Umwälzpumpe 78 und den Leitungen 79 und 80. Der wärmeaufnehmende Teil 76 ist in parallele Rohrstränge 81 aufgeteilt. Durch die ' Rohrstränge 81 strömt die für die Schaufelkühlung vom Verdichter abgezweigte Druckluft, die durch einen Pfeil 82 angedeutet ist. Der in gleicher Weise in Rohrstränge 83 aufgeteilte wärmeabgebende Teil 77 liegt in einem durch einen Pfeil 84 bezeichneten Luftstrom, der beispielsweise durch den Bypass geführt ist. Die Umwälzpumpe 78 wird

von

ebenso wie eine Ladepumpe 85 in diesem Beispiel/einem Elektromotor 86 angetrieben.

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Die Ladepumpe 85 fördert aus einem Behälter 87 Kühlmittel unter Druck durch die Leitungen 88 und 89 in die Leitung 80. Der Betriebsdruck wird zweckmäßig so hoch gewählt, daß die Siedetemperatur des Kühlmittels nicht erreicht wird. Ein in der Leitung 89 liegendes Rückschlagventil 90 schließt nach dem Aufladen des Kreislaufes und verhindert damit ein Rückfließen des Kühlmittels. Beim Absinken des Druckes fördert die Ladepumpe 85 Kühlmittel in den Kreislauf,bis der Mindestdruck wieder erreicht ist. Auf diese Weise kann auch bei Auftreten einer Leckstelle der Betrieb wenigstens kurzzeitig aufrecht erhalten werden. In einer von der Leitung 88 zum Behälter 87 führenden Leitung 91 liegt ein Überdruckventil 92, das verhindert, daß der Druck des geförderten Kühlmittels einen bestimmten Wert überschreitet. Leitungen 93 und 94 führen Kühlmittel, das aus den Lagern 95 bzw. 96 der Umwälzpumpe 78 bzw. der Ladepumpe 85 austritt, in den Behälter zurück.

An die Leitung 79 ist eine Leitung 97 angeschlossen, die sich in Leitungen 98 und 99 verzweigt, die zu einem Ausgleichsgefäß 100 bzw. zu einem Überdruckventil 101 führen. Das AusgleichsgefäP 100 nimmt gegen den Druck eines Luftpolsters 102 die-durch Wärmedehnung anfallende überschüssige Kühlflüssigkeit auf und gibt sie bei Abkühlung wieder an den Kreislauf ab. Das Überdruckventil 101 öffnet bei Überschreiten des zulässigen Betriebsdruckes eine Rücklauf leitung 103 und vermeidet dadurch Schaden in der Anlage.

Line Warneinrichtung 104 besteht aus einem im Kreislauf liegenden Druckmesser 105, der bei Untersehreiten des Mindestbetriebsdruckes

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den Stromkreis einer Warnlampe 106 schließt. Das Aufleuchten der Warnlampe 106 zeigt an, daß der Kühlkreislauf nicht mehr zufriedenstellend arbeitet. Bei einer mit Vollast arbeitenden Turbine kann darauf die Kraftstoffzufuhr rechtzeitig gedrossel werden, so daß eine Überhitzung der Turbine vermieden wird. In gleicher Weise kann auch das Arbeiten der Umwälzpumpe durch einen parallel zu dieser geschalteten Differenzdruckmesser überwacht werden, der bei einem Pumpenschaden eine Warnlampe aufleuchten läßt. Es ist auch möglich, bei Ausfall des Kühlkreislaufes die Kraftstoffzufuhr automatisch zu begrenzen. '

Als Kühlflüssigkeit kann Wasser verwendet werden, dessen Eigenschaften durch Zusätze, z.B. zur Erhöhung der Schmierfähigkeit, verbessert werden können. Für Flüge in großer Höhe und im Winter muß dem Kühlwasser ein Frostschutzmittel, z.B. Glykol, beigefügt werden.

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Claims

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Ansprüche

Gasturbine für Luftfahrzeuge, besonders Strahltriebwerk, mit luftgekühlten Turbinenschaufeln, deren Kühlluft unmittelbar oder mittelbar einer Verdichterstufe entnommen wird, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (24, 30, 69) mit geschlossenem Kreislauf, dessen wärmeaufnehmender Teil (23, 34, 68) im Kühlluftkanal (22, 35, 64) zwischen dem Verdichter (16, 38, 50) und dem Turbinenläufer (17,39, 51) angeordnet ist.

Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeaufnehmende Teil (68) des Wärmetauschers (69) zwischen der Läuferwelle (49) und den Brennkammern (56) in einem Ringraum (64) angeordnet ist, der einerseits mit den Verdichteraustrittsdiffusoren (55),andererseits mit den Laufschaufeln (60) mindestens der ersten Turbinenstufe (61) verbunden ist.

Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabgebende Teil (25) am Lufteinlauf (26) des Verdichters (13) angeordnet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2 für ein Zweistrom-Strahltriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabgebende Teil {2U, 71) im Bypasskanal (33, 62) angeordnet ist.

5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche mit einer im Kreislauf liegenden Umwälzpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestdruck des Kühlmittels durch eine an den Kreislauf angeschlossene Ladepumpe (85) aufrecht erhalten wird.

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6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein an den Kreislauf angeschlossenes Ausgleichsgefäß (100).

-7. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorangehenden

Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Warneinrichtung (104), die bei Unterschreiten eines bestimmten Druckes, z.B. durch Auf- h leuchten"einer Warnlampe (1 OG), in Tätigkeit tritt.

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