DE1951356B2

DE1951356B2 - Gasturbinentriebwerk für Flugzeuge

Info

Publication number: DE1951356B2
Application number: DE1951356A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Grieb
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1969-10-11
Filing date: 1969-10-11
Publication date: 1979-12-13
Also published as: US3651645A; DE1951356A1; DE1951356C3; GB1287983A; FR2065179A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk für Flugzeuge, bei dem Turbinenschaufeln mittels unmittelbar oder mittelbar einer Verdichterstufe entnommener, verhältnismäßig hochverdichteter Luft kühlbar sind, die über einen zwischen der Triebwerkswelle und mindestens einer Brennkammer liegenden Ringraum den Laufschaufeln mindestens einer ersten Turbinenstufe zuführbar ist.

Bei einem derartigen bekannten Strahltriebwerk nach der US-PS 3 437 313 wird ein nicht unerheblicher Mangel darin gesehen, daß die im Betrieb am meisten temperaturbelastete Turbinenstufe der Verdichterantriebsturbine mit Kühlluft gekühlt werden soll, die am oder im Bereich des Verdichteraustritts, und damit an dessen heißester Stelle entnommen werden soll.

Die Verwendung verhältnismäßig hoch verdichteter Luft zur Verbesserung der Schaufelkühlung ergibt hierbei zwar ein günstiges Druckgefälle für den Kühlluftstrom, vermindert andererseits aber erheblich den Wirkungsgrad der Kühlung infolge der mit dem Verdicliiterprozeß verbundenen Erwärmung der Kühlluft, Bei einem anderen bekannten Gasturbinenstrahltriebwerk nach der US-PS 3 355 883 soil anhand einer Wärmetauscheranordnung mit geschlossenem Kreislauf ein Teil der gleichzeitig mit dem Kühlprozeß der

ίο ersten Turbinenstufe (Leit- oder Laufschaufeln) vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme dem Arbeitsprozeß am Verdichterende bzw. der Verdichterluft vor deren Eintritt in die Brennkammer zugeführt werden können.

In einem Fall soll bei dem bekannten Gasturbinenstrahltriebwerk der wärmeaufnehmende Teil der KüMkreislaufleitungen durch die Turbinenradscheibe der ersten Turbinenstufe und deren Laufschaufeln, dagegen der wärmeabgebende Teil der Kühlkreislaufleitungen durch das Laufrad der letzten Verdichterstufe und deren Laufschaufeln hindurchgeführt sein. In einem anderen Fall soll beim bekannten Strahltriebwerk nach der US-PS 3355883 der wärmeaufnehmende Teil des Kühlkreislaufs in den Leitschaufein der ersten Turbinenstufe sowie im Turbinenabgasstrom, hingegen der wärmeabgebende Teil im Verdichterluftstrom - zwischen Verdichteraustritt und Brennkammer - angeordnet sein, wobei die Kühlkreislaufleitungen des wärmeaufnehmenden bzw. -abgebenden Teils rohrschlangenförmig ausgebildet sind.

In einem Fall erzwingt die bei diesem bekannten Triebwerk infolge des mit der Triebwerkswelle kombinierten und mit dieser umlaufenden Wärmetauscheranordnung nebst Kühlflüssigkeitskanälen einen verhältnismäßig komplizierten Gesamtaufbau des Kühlsystems, bei dem insbesondere mit Rücksicht auf verhältnismäßig hohe Wellendrehzahlen ein dementsprechend hoher Störanfälligkeitsprozeß zu beriicksichtigen sein dürfte.

Im anderen Fall, mit staionärer Wärmetauscheranordnung, sind aufgrund der im Turbinenabgaskanal und in der Verdichterluftströmung vor der Brennkammer liegenden Einbauten nicht unerhebliche Strömungsverluste zu erwarten, wobei besonders eine gestörte Strömung vor der Brennkammer infolge einer hieraus erwachsenden Störung des Strömungsbildes innerhalb der Brennkammer bzw. -kammern sich äußerst nachteilhaft auf eine homogene Verbrennung auswirken kann.

In diesem anderen Fall besteht beim bekannten Gasturbinenstrahltriebwerk nach der US-PS 3355883 keine Möglichkeit, die Laufschaufeln der ersten Turbinenstufe in den Kühlzyklus mit einzubeziehen, wobei in der Regel doch gerade die Laufschaufeln der ersten Turbinenstufe auf Grund ihrer hohen mechanischen Belastung das »kritische Element« bezüglich der am Brennkammeraustritt zulässigen Temperatur darstellen.

Im übrigen vermittelt das bekannte Gasturbinenstrahltriebwerk nach der US-PS 3355883 keinerlei Beitrag zur Verbesserung der Triebwerksanlage nach der eingangs genannten Art, von der die Erfindung ausgeht.

Letzteres gilt auch für ein bekanntes Gasturbinenstrahltriebwerk nach der FR-PS 1003587, bei welchem eine Wärmetauscheranordnung mit geschlossenem Kühlflüssigkeitskreislauf vorgesehen ist, um

mittels eines Teils der im Turbinenabgas enthaltenen Wärme eine Aufheizung der Verdichterluft vor deren Eintritt in die Brennkammer herbeiführen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum eingangs genannten Stand der Technik vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und ein Gasturbinentriebwerk nach der eingangs genannten Art zwecks Leistungssteigerung hinsichtlich einer wirkungsvollen Kühlung auf verhältnismäßig einfache Weise zu verbessern.

Erfindungsgemäß ist die gestellte Aufgabe durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) es ist in an sich bekannter Weise eine aus einem wärmeaufnehmenden und einem wärmeabgebenden Teil bestehende Wärmetauscheranordnung mit geschlossenem Kreislauf vorgesehen;

b) der wärmeabgebende Teil der Wärmetauscheranordnung ist am Lufteinlauf des Verdichters angeordnet, während der wärmeaufnehmende Teil dieser Wärmetauscheranordnurg innerhalb des Ringraumes zwischen der Brennkammer und der Triebwerkswelle liegt und die hochverdichtete Entnahmeluft vor deren Eintritt in die Turbinenschaufeln kühlt.

Die hierbei durch die Kühlung der Kühlluft erreichbare Steigerung der Turbineneintrittstemperatur ergibt eine Erhöhung des spezifischen Schubes, so daß über die Verkleinerung des Luftdurchsatzes bei gefordertem Schub eine nicht unbeträchtliche Herabsetzung des Triebwerksgewichts und -volumens erreicht werden kann.

Demgegenüber ist der Gewichtsaufwand infcge der Wärmetauscheranordnung als verhältnismäßig gering anzusetzen.

Darüber hinaus ergibt die mögliche Verkleinerung des Luftdurchsatzes, des Triebwerksgewichts und des Triebwerksvolumens wesentliche Vorteile für die Gestaltung des Flugzeugs selbst.

Dies gilt auch für ein als Zweistromtriebwerk ausgebildetes Gasturbinenstrahltriebwerk, bei welchem im Rahmen einer Ausbildung des Erfindungsgegen-Standes der wärmeabgebende Teil der Wärmetauscheranordnung im Nebenstromkanal angeordnet sein soll.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schema eines Einsrom-Strahlvriebwerks,

Fig. 2 das Schema eines Zweistrom-Strahltriebwerks,

Fig. 3 eine Darstellung des Wärmetauschers für die Schaufelkühlung eines Strahltriebwerks nach Fig. 2, und

Fig. 4 ein Schaltschema eines Wärmetauschers.

Im Gehäuse 11 des in Fig. 1 gezeigten Einstrom-Strahltriebwerks sind auf einer Welle 12 ein Niederdruckverdichter 13 und eine Niederdruckturbine 14 sowie auf einer dazu koaxialen Hohlwelle 15 ein Hochdruckverdichter 16 und eine Hochdruckturbine 17 befestigt. Mit 18 sind die Brennkammern des Strahltriebwerks 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 wärmeaufnehmende 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.
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 Nebenstromkanal 33 untergebracht. Der

ίο 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. 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 Hochdruckturbine 51 gelagert. 52 sind Laufschaufeln und 53 Leitschaufeln der letzten Stufe 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-Strahltriebwerks.

Die Brennkammern 56 weisen jeweils im Bereich des Verdichteraustrittdiffusors 55 öffnungen 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 Ringkanal 66 der ersten Turbinenstufe 61 zugeführt. Die Laufschaufeln 60 dieser Stufe haben Hohlräume 67, 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 Wärmeaustauschers 69 mit geschlossenem Kreislauf angeordnet. Eine Leitung 70 führt vom wärmeauf nehmenden Teil 68 im Bereich des Verdichteraustrittsdiffusors 55 zum wärmeabgebenden Teil 71, der im Nebenstromkanal 62 des Strahltriebwerks 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 Wärmeaustauschers 69. Die beiden Leitungen 70 und 73 sind innerhalb des Verdichteraustrittsdiffusors 55 durch eine

bo Hohlrippe 74 verkleidet. Der wärmeaufnehmende Teil 68 bzw. der wärmeabgebende Teil 71 sind in gleichmäßig über den Umfang des Ringraumes 64 bzv. des Nebenstromkanals 62 verteilten parallelgeschalteten Wärmeaustauschergruppen, beispielsweise

t,5 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 Nebenstromkanal 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 61. 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 dadurch die Anwendung höherer Drücke und Temperaturen der Arbeitsgase. Dies führt zu einer wesentlichen Steigerung des spezi- ^u fischen 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 gekühlte Verdichterluft abgezweigt werden, während die restlichen Turbinenstufen, soweit nötig, mit ungekühlter Verdichterluft versorgt werden. Die Turbinenleitschaufeln können mit ungekühlter Verdichter- jo luft gekühlt werden, wobei gegebenenfalls der Luftdurchsatz der ersten Stufe etwas erhöht wird.

Der in Fig. 4 in einem Schaltschema dargestellte Wärmetauscher 75 mit geschlossenem Kreislauf besteht im wesentlichen aus dem wärmeaufnehmenden J5 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 to 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 Nebenstromkanal geführt ist. Die Umwälzpumpe 78 wird ebenso wie eine Ladepumpe 85 in diesem Beispiel von einem Elektromotor 86 angetrieben.

Die Ladepumpe 85 fördert aus einem Behälter 87 Kühlmittel unter Druck durch die Leitungen 88 und so 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 aufrechterhalten 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 87 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 Ausgleichsgefäß 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 Rücklaufleitung 103 und vermeidet dadurch Schaden in der Anlage.

Eine Warneinrichtung 104 besteht aus einem im Kreislauf liegenden Druckmesser 105, der bei Unterschreiten des Mindestbetriebsdruckes 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 Kraftstoff zufuhr rechtzeitig gedrosselt 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 Kühlkreislaufs 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinentriebwerk für Flugzeuge, bei dem Turbinenschaufeln mittels unmittelbar oder mittelbar einer Verdichterstufe entnommener, verhältnismäßig hochverdichteter Luft kühlbar sind, die über einen zwischen der Triebwerkswelle und mindestens einer Brennkammer liegenden Ringraum den Laufschaufeln mindestens einer ersten Turbinenstufe zuführbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) es ist in an sich bekannter Weise eine aus einem wärmeaufnehmenden (23) und einem wärmeabgebenden Teil (25) bestehende Wärmetauscheranordnung mit geschlossenem Kreislauf vorgesehen;

b) der wärmeabgebende Teil (25) der Wärmetauscheranordnung ist am Lufteinlauf des Verdichters (13) angeordnet, während der wärmeaufnehmende Teil (23) dieser Wärmetauscheranordnung innerhalb des Ringraums (22) zwischen der Brennkammer (18) und der Triebwerkswelle (15) liegt und die hochverdichtete Entnahmeluft vor deren Eintritt in die Turbinenschaufeln (19) kühlt.

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, welches als Zweistromtriebwerk ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabgebende Teil (29) der Wärmetauscheranordnung im Nebenstromkanal (33) angeordnet ist.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheranordnung in an sich bekannter Weise eine im Kreislauf liegende Umwälzpumpe (85) aufweist.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheranordnung ein an deren Kreislauf angeschlossenes Ausgleichsgefäß (100) aufweist.

5. Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheranordnung eine Warneinrichtung (104) aufweist, die das Unterschreiten eines Mindestbetriebsdruckes im Kühlkreislauf anzeigt.