DE2554010A1

DE2554010A1 - Vorrichtung und verfahren zur zufuehrung von kuehlluft zu turbinenleitschaufeln

Info

Publication number: DE2554010A1
Application number: DE19752554010
Authority: DE
Inventors: Richard Walton Hoff
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-12-20
Filing date: 1975-12-01
Publication date: 1976-07-01
Also published as: SE7513778L; CA1045040A; US3936215A; FR2295238A1; GB1534000A; BE836802A

Description

I VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ZUFUEHRUNG VON KUEHLLUFT ZU <TURBINENLEITSCHAUFELN

I . Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und ; I insbesondere auf die Kühlung der Turbinenbauteile in Triebwerken ^l i mit hohen Turbineneinlasstemperatüren. ;

'. Ein Gasturbinentriebwerk hat im wesentlichen einen Verdien ! terabschnitt, einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenab- ; ■schnitt. Jeder dieser Abschnitte ist individuell konstruiertem ;soweit wie möglich einen maximalen örtlichen Wirkungsgrad zu j erreichen zwecks Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Triebwerkes. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass bei der Verbesserung ^; \der Wirkungsgrade der einzelnen, örtlichen Turbinenabschnitte die Verträglichkeit zwischen den verschiedenen Triebwerksbauteilen j !der Hauptabschnitte nicht gestört wird.

ι Der Brennkammerabschnitt liegt unmittelbar stromabwärts ;des Verdichterabschnittes und das aus dem Verdichter ausströmende Hochdruckgas gelangt in den Brennkammerabschnitt. Ein Teil des -Arbeitsmediumgases wird in der Brennkammer mit Kraftstoff vermischt zur Bildung einer brennbaren Mischung, um die kinetische Energie der Gase zu erhöhen. Um die Menge von unverbrauchten !Kohlenwasserstoffen herabzusetzen, die aus der Brennkammer aus-

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i !

j treten sowie zur Verbesserung des Brennkammerwirkungsgrades ist es! ! erwünscht, die brennbare Mischung bei hohen Temperaturen zu ver-I brennen. Desweiteren können Verbesserungen des Brennkammerwirkungs-ι grades erreicht werden durch Verminderung des Druckverlustes des iArbeitsmediums bei seiner Strömung durch den Brennkammerabschnitt. ■ ! Es ist bekannt, dass eine Brennkammer mit maximalen Temperaturen i und minimalen Strömungsverlusten den höchsten örtlichen Wirkungs-

I grad erreicht. !

j ι

j Von dem Brennkammer abschnitt strömt, das Arbeitsmedium zu j J der Turbine durch eine ringförmige Düse mit mehreren Turbinenleit-, j I

j schaufeln, welche die Arbeitsmediumgase, d.h. die heissen Ver- j ι brennungsgase aus der stromaufwärtsliegenden Brennkammer, in einemj

i j

I bevorzugten Winkel in die Reihe der stromabwärtsliegenden Turbinen^ i laufschaufeln leiten. Die Laufschaufeln entziehen dem Arbeitsme- !

I dium kinetische Energie zum Antrieb des Verdichters und den j

j Trxebwerkszusatzaggregate. Die Turbinenlaufschaufeln und Leit- ' ;schaufeln sind aus Werkstoffen hergestellt, die hohen Temperaturen !widerstehen, und in der korosiven Strömung der Verbrennungsgase ; ; eine hohe Lebensdauer erreichen, jedoch liegen die örtlichen ;

Temperaturen der Verbrennungsgase dennoch über den maximal zu-, la'ssigen Temperaturen für alle bekannten, geeigneten Werkstoffe : i zur Herstellung der Turbinenleitschaufeln und Laufschaufeln. ■ ^:

i !

Es ist allgemein bekannt, dass man die Laufschaufel- und j Leitschaufeltemperaturen innerhalb sicheren Grenzen halten kann idurch Zuführung einer Kühlluftströmung über die inneren und ffüsse-

ί ■ ■' . ■

, ren Flächen der aerodynamischen Abschnitte. Der höchste Druck des

ί ■ ■ ■ . ;

ί Triebwerkes liegt am Verdichterauslass vor und deshalb wird Verdichterauslassluft für Kühlzwecke verwendet. In einem üblichen ι Ausführungsbeispiel wird Kühlluft durch eine Oeffnung am inneren j . j

,Durchmesser des Verdichterströmungskanales abgezweigt und durch ;

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verschiedene Leitungen dem Turbinenabschnitt des Triebwerkes zugeführt. Der Druck der Kühlluft, welche zur Turbine strömt wird

!dabei durch StrömungsVerluste in der Leitung verringert und i

I - j

: beträgt üblicherweise etwa 95 bis 96% des Druckes am Verdichteri auslass bei Erreichen des aerodynamischen Abschnittes der Leit-I schaufeln. Solange wie der Druckverlust des Arbeitsmediums in dem

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;Brennkammerabschnitt grosser ist als der Druckverlust der Kühlluft ¹ in den verschiedenen Leitungen ist eine Kühlluftströmung durch ίdie Leitschaufeln und Laufschaufeln.gewährleistet, wie schon oben ι erwähnt wurde ist die Verminderung des Druckverlustes in dem ;Brennkammerabschnitt eines der Hauptziele zum Erreichen eines

!optimalen Gesamtwirkungsgrades des Triebwerkes. Bei den bekannten !Triebwerken hat der Druck der Verbrennungsgase beim Erreichen der !Turbine etwa 94% des Druckes am Verdichterauslass, jedoch sind .auch schon neue Brennkammern bekannt wobei die Auslassgase der ; Brennkammer einen Druck von etwa 96% des Druckes am Verdichter- !auslass aufweisen. Eine solche Brennkammer mit kleinerem Druckver-

' lust ist sehr erwünscht, jedoch ist sie in ihrer Anwendung

!beschränkt in Folge der stromabwärts der Brennkammer liegenden !Bauteile der Turbine, welche dne Kühlluftströmung erfordern. 'In der U.S. Patentschrift 3 628 880 ist eine Turbinenschaufel mit komplizierter Kühlung dargestellt, um die Schaufeltemperatur in der heissen Turbineneinlasströmung herabzusetzen. Verschiedene Kombinationen von Aufprallkühlung, Konvektionskühlung und FiIm- !kühlung halten die Temperatur des Werkstoffes an oder unterhalb zulässigen Grenzen solange wie eine geeignete Kühlluftzuführung gewährleistet ist. Die Aufprallkühlung, welche an den inneren Wänden des aerodynamischen Abschnittes der Schaufel nach der U.S. Patentschrift 3 628 880 verwendet wird, erfordert einen hohen Druckunterschied zwischen der Kühlluft und dem Arbeitsmedium der Turbine und diese Kühlungsart ist sehr anfällig auf eine Verminderung der Kühlluftdruckes. Während den normalen Betrieb strömt die Kühlluft durch Löcher mit kleinem Durchmesser in einer Prallplatte und wird auf eine Geschwindigkeit beschleunigt ,mit welcher I die Luft auf die inneren Wände des aerodynamischen Abschnittes ,auftrifft. Falls der Druckabfall über der Platte nicht ausreichend hoch ist, so erhält man eine Strömung mit kleiner Geschwindigkeit, sodassdie Aufprallkühlung nicht durchführbar ist. In einem neuzeit-'liehen, modernen Triebwerk beträgt der Druckabfall an der Vorder-

2 kante des aerodynamischen Abschnittes etwa 0,2 bis 0,4 kp/cm beim Starten und er ist etwas grosser beim Flug in grösserer Höhe. Da : wesentlich grössere Druckabfälle erforderlich sind für die Auf-

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[ prallkühlung lässt man die Kühlluftströmung in einen Bereich ; niedrigeren Druckes entlang der Saugseite des aerodynamischen ' Abschnittes ab, im Gegensatz zu dem Ablassen an der Vorderkante des ι aerodynamischen Abschnittes. Es ist bekannt, dass eine Filmkühlung !sehr erwünscht und wirksam ist zur Kühlung der Vorderkante des

aerodynamischen Abschnittes. In den heute üblichen Triebwerken ist : die Durchführung einer Filmkühlung in Verbindung mit einer Auf- ;prallkühlung an der Vorderkante sehr in Frage gestellt da man die Kühlluft nicht an der Vorderkante des aerodynamischen Abschnittes I in der erwünschten Art und Weise ablassen kann.

j Man versucht deshalb einen maximalen Druck der Kühlluft : in dem Bereich der Leitschaufeln und damit ein geeigneter Druckunterschied zwischen der Kühlluft und den Arbeitsmediumgasen zu erreichen, in welche die Kühlluft entweicht. Eine Verbesserung - der Turbinenkühlung wird umso wichtiger da Brennkammern, die ; ;einen geringen Druckverlust aufweisen jetzt zur Verfügung stehen.

j · ι

: Die Aufgabe der Erfindung liegt darin den Gesamtwirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerkes zu verbessern sowie die Belastbarkeit der gekühlten Turbinenbauteile zu erhöhen und eine neue Kühlung für Turbinenleitschaufeln zu schaffen, um die neuzeitlichen Brennkammern mit geringem Druckverlust verwenden zu können, oder den Druck der Kühlluft für die Turbinenschaufeln bis auf eine« Wert zu erhöhen, der wesentlich grosser .ist als der Druck der Arbeitsmediumgase an dem Einlass der Turbine.

¹ Entsprechend der Erfindung ist ein zusätzlicher Verdichter in dem Strömungsweg der Kühlluft zu der Turbine vorgesehen. Ein ;kleiner Teil der Luft, die im Verdichterabschnitt des Triebwerkes ι verdichtet wird, wird von dem Strömungskanal des Verdichters abge-,leitet und in dem Triebwerk axial nach hinten zu dem zusätzlichen Verdichter geführt. Die Kühlluft wird durch diesen Verdichter in ;die inneren Kanäle einer Reihe von hohlen Leitschaufeln gepumpt, die am Einlass der Turbine vorgesehen sind.

Entsprechend einem Merkmal der vorlitjenden Erfindung hat der zusätzliche Verdichter ein Laufrad einer Zentrifugalstufe,um den Druck der Turbinenkühlluft bis auf einen Wert zu erhöhender

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! wesentlich höher ist als der Druck der Arbeitsmediumgase am i

i .

[Einlass der Turbine. Entsprecnend einem weiteren Merkmal der Erfind-

! ung sind bei einem AusfCthrungsbeispiel mehrere Luftzufuhrdüsen ; vorgesehen, die die Luftströmung zu der Zentrifugalstufe bis auf , eine Geschwindigkeit beschleunigen, die etwa der Tangentialgeschwin-

ίdigkeit des Laufrades in dem Einlassbereich der Zentrifugalstufe entspricht. Es sind Leitschaufeln zwischen dem Laufrad und den Turbinenschaufeln vorgesehen zum Zurückgewinnen des dynamischen

'Druckes der Kühlluft am Auslass der Zentrifugalstufe. ■

ι i

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der ; ' Verträglichkeit der Turbinenkühlung entsprechend der Erfindung mit den heute üblichen Brennkammern, die nur geringe Strömungsver- ^; luste des Arbeitsmediums hervorrufen. Sehr wirksame Kombinationen

, von Aufprallkühlung, Konvektbnskühlung und Filmkühlung der Turbinenleitschaufeln können sehr vorteilhaft angewandt werden falls die Kühlluft einen grösseren Druck hat. Eine wirksame Kühlung verbessert den Widerstand des Schaufelwerkstoffes gegen die zer-I störende Korrosion der Verbrennungsgase und verlängert die Lebensdauer der gekühlten Bauteile.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden ausführlicher beschrieben, es zeigen: ^j

Fig. 1 eine teilweise Schnittdarstellung des Verbrennungsabschnittes und des Turbinenabschnittes eines Gasturbinentriebwerkes . ;

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Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 nach Fig. 1.

ι Ein Teil eines Brennkammerabschnittes lO und ein Teil eines Turbinenabschnittes 12 eines Gasturbinentriebwerkes sind in Fig. 1 im Schnitt dargestellt. Die Brennkammer 14 hat einen ringförmigen Auslass 16. Der Turbinenabschnitt 12 liegt unmittelbar stromabwärts des Brennkammerabschnittes 10 und weist einen Rotor 18 und einen Stator 20 auf. Der Rotor des Turbinenabschnittes hat eine Laufschaufel 22, die an einer Stelle des Umfanges einer Scheibe 24 befestigt ist. Mehrere Laufschaufeln sind an weiteren

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!Stellen am Umfang der Scheibe angeordnet und bilden eine in Um- j i i

fangsrichtung angeordnete Laufschaufeireihe. Eine Stufe 26 eines j

Zentrifugalverdichters liegt axial vor den Schaufeln 22 und ist an •der Scheibe. 24 befestigt. Die Verdichterstufe 26 hat einen Rotor 28 und zwei axiale Dichtungen 30, die sich radial vom Umfang der ■ ■Verdichterstufe erstrecken. |

Der Stator des Turbinenabschnittes hat eine Turbinen- j !leitschaufel 32, die unmittelbar stromabwärts des Auslasses 16 der '■

i i

!Brennkammer 14 liegt. Mehrere Turbinenleitschaufeln sind in Um- i i i

jfangsrichtung um den ringförmigen Auslass an der gleichen axialen

Stelle angeordnet zur Bildung eines Turbinenleitapparates. Eine ; 'Leitung 34 zum Zuführen der Kühlluft zu dem Turbinenabschnitt liegt 'radial innerhalb der Brennkammer 14. Eine Kühlluftzufuhrdüse 36

ragt von der Leitung 34 bis in die NaTie der Stufe 26 des Turbinen- : ; ι

rotors. !

I !

Eine Leitschaufel 38 ist radial innerhalb der Turbinen- : ι ί

!leitschaufel 32 angeordnet. Mehrere Leitschaufeln 38 sind in j ■Umfangsrichtung an der gleichen axialen Stelle des Triebwerkes vorgesehen. Zwei Abdichtungsflächen 40 sind gegenüber den zwei ! axialen Abdichtungen 30 des Rotors angeordnet und liegen radial ^;

innerhalb der Leitschaufeln 38. ■ '

ί Falls das Triebwerk in Betrieb ist strömt Kühlluft durch

die Leitung 34 zu den Düsen 36, welche die Kühlluft zu dem Einlass
42 in der Nähe der Stufe des Radialverdichters fördern. Wie in ; Fig. 2 dargestellt ist, wird die Kühlluft in der Zentrifugal- ! stufe durch den Rotor 28 zu dem Auslass 44 gepumpt, der axial
zwischen den Abdichtungen 30 liegt, welche mit den Abdichtungsflachen 40 des Stators zusammenwirken wie in Fig. 1 dargestellt
ist. Die den Rotor verlassende Kühlluft hat eine Tangentialgeschwindigkeit in Drehrichtung der Stufe 26 des Zentrifugalverdich^lters. Die Leitschaufeln 38 bewirken eine Umlenk /tier in Tangentialrichtung strömenden Luft und demnach ist die Strömung am
Auslass 46 der Leitschaufeln im wesentlichen radial. Die Strömung
aus den Leitschaufeln gelangt vom Auslass 46 in die hohlen Bereiche 48 der Leitschaufeln 32 und strömt durch öffnungen 50 aus

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denselben in den Strömungskanal 49 för das Arbeitsmedium in dem Turbinenabschnitt. · j

Der Druck des Arbeitsmediumgases in dem Turbinentriebwerk ist am höchsten am Auslass des Verdichters. Bei der Strömung des ; Arbeitsmediumgases stromabwärts des Verdichters durch den Brennkammerabschnitt nimmt der Druck des Arbeitsmediumgases ab bis auf etwa 94% des Druckes am Auslass des Verdichters. Gleichzeitig wird durch den Verbrennungsprozess die maximale Temperatur der Gase · wesentlich gesteigert und zwar um mehr als 1100 C bis auf etwa >■ ι 1740 C. Die maximale Temperatur dieser Gase liegt über der höchst-■ zulässigen Temperatur für alle bekannten Leit-und Laufschaufeliwerkstoffe und deshalb ist eine Kühlung der Turbine erforderlich.

^; Nur die Luft am Auslass des Verdichters der bekannten Triebwerke hat einen ausreichend hohen Druck zur Verwendung als Kühlluft für die Turbine. Dementsprechend wird bei den bekannten Ausführungen Luft am Auslass des Verdichters abgezapft und von dem Verdichter durch verschiedene Leitungen der Turbine zugeführt. Durch Strömungsverluste in diesen Leitungen verringert sich dabei , der Kühlluftdruck auf etwa 95 bis 96% des Druckes am Verdichter- ; auslass. Ein Druckunterschied von etwa 1 bis 2% zwischen dem \ Druck der Kühlluft und dem Druck der heissen Arbeitsmediumgase an der Vorderkante der ersten Turbinenleitschaufel ermöglicht einen

2 maximalen Druckabfall zwischen 0,2 und 0,4 kp/cm beim Starten. Dieser Druckunterschied ist ausreichend für eine Filmkühlung an der Vorderkante des aerodynamischen Abschnittes, er reicht jedoch nicht aus für eine Aufprallkühlung an dieser Stelle. Die Aufprallkühlung und die Filmkühlung können nur miteinander verbunden werden falls das Arbeitsmedium, in welches die Aufprallströmung austritt einen wesentlich kleineren Druck hat als der Kühlluftdruck. Dementsprechend ist es bei den bekannten Triebwerken erforderlich die Aufprallströmung an der Saugseite des aerodynamischen Querschnittes abzulassen.

Die Stufe 26 des Zentrifugalverdichters befindet sich entsprechend der Erfindung in dem Strömungsweg der Kühlluft zu der Turbine und erhöht den Druck der Kühlluft auf etwa 120% des Druckes

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vom Verdichterauslass. Der vergrösserte Druckunterschied an der

Schaufelvorderkante ermöglicht verschiedene Kombinationen der Aüfprallkühlung, der Konvektionskühlung und der Filmkühlung zur Herabsetzung der Temperatur an der Schaufelvorderkante. Obschon bei dem bevorzugten AusfCthrungsbeispiel die Kühlluft vom Auslass des Verdichters abgeleitet wird, kann natürlich auch die Luft an irgendeiner Zwischenstufe des Verdichters abgezapft werden und zwar je nach dem erforderlichen Kühlluftdruck an der Leitschaufelvorderkante

Die Kühlluftzuführung entsprechend der vorliegenden Erfindung ist sehr vorteilhaft in Verbindung mit den modernen Brennkammern der Vormischungs- und Wirbelbauart, welche nur geringe Strömungsverluste des Arbeitsmediums bewirken. Die Brennkammern, deren Wirkungsweise auf neuartigen Verbrennungsverfahren beruht ! vermindern den Arbeitsmediumdruck nur auf etwa 96% des Druckes am Verdichterauslass. Da der erreichbare Druck der Kühlluft in der ! Leitung 34 und der Druck des Arbeitsmediums an der Schaufelvorder-i kante etwa gleich sind ist eine Filmkühlung der Susseren Fläche der Schaufeln an der Vorderkante nur möglich falls eine Vorrichtung j entsprechend der Erfindung in dem Triebwerk verwendet wird, um den Druck der zur Verfügung stehenden Kühlluft wesentlich zu erhöhen.

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Claims

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PATENTANS PRUECHE :

Iy Gasturbinentriebwerk mit Turbinenleitschaufeln und einer Kühlluftzuführung zwischen dem Strömungskanal des Verdichters und der Turbine des Triebwerkes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter (26) zwischen der Leitung (34) und den zu kühlenden Leitschaufeln (32) angeordnet ist, um den Druck der Kühlluft bis auf einen Druck zu vergrössern der höher ist als der Luftdruck in dem Verdichterströmungsweg, und dass Strömungsausgleichmitte1 (38) zwischen dem Verdichter und den zu kCfhlenden Leitschaufeln vorgesehen sind, zum Zurückgewinnen des dynamischen Druckes der Kühlluft, die aus dem Verdichter ausströmt. j
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (26) eine Zentrifugalverdichter-

stufe ist. '
3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsausgleichmittel (38) mehrere Leitschaufeln sind, welche zwischen der Zentrifugalverdichterstufe (26) und den zu kühlenden Leitschaufeln (32) angeordnet sind, und dass die Leitschaufeln die Luftströmung in eine etwa radiale Richtung umlenken.
4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kühlluftzufuhrdüse (36) zwischen der Leitung (34) und der Zentrifugalverdichterstufe (26) angeordnet ist.
5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass zwei axiale Abdichtungen (30) radial zwischen der Zentrifugalverdichterstufe (26) und den zu kühlenden Leitschaufeln¹,

(32) liegen, wobei eine Abdichtung axial vor dem Verdichterauslass und die andere Abdichtung axial hinter dem Verdichterauslass angeordnet ist.
6. Verfahren zur Zuführung von Kühlluft zu Turbinenleitschaufeln unter einem Druck, welcher wesentlich grosser ist als der maximale Druck des durch das Triebwerk strömenden Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Arbeitsmediums

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von dem Verdichterströmungskanal abgeleitet wird, dass der abgeleitete Teil des Arbeitsmediums durch eine Leitung (34) dem Turbinenabschnitt (12) des Triebwerkes zugeführt wird, dass der abgeleitete Teil des Arbeitsmediums weiter verdichtet wird bis auf einen Druck, der grosser ist als der maximale Druck des durch das Triebwerk fliessenden Arbeitsmediums, dass der weiter verdichtete, abgeleitete Teil des Arbeitsmediums durch Strömungsausgleichsmittel (38) geleitet wird zum Zurückgewinnen des dynamischen Druckes des Mediums, und dass der weiter verdichtete, abgeleitete Teil des Arbeitsmediums den Turbinenleitschaufeln (32) zur Kühlung derselben zugeführt wird.

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