DE2831801A1

DE2831801A1 - Verfahren und einrichtung zur kuehlung der turbinenschaufeln eines gasturbinentriebwerks sowie gasturbinentriebwerk mit entsprechend gekuehlten turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE2831801A1
Application number: DE19782831801
Authority: DE
Inventors: Richard Helmer Andersen; Robert James Corsmeier; Dean Thomas Lenahan; James Paul Rauf
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-07-25
Filing date: 1978-07-19
Publication date: 1979-02-15
Also published as: IT1097389B; FR2398884B1; CA1095271A; GB1600539A; US4137705A; JPS5440910A; FR2398884A1; IT7826024A0; JPS628615B2

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, New York T23O5 (USA)

Verfahren und Einrichtung zur Kühlung der Turbinenschaufel^ eines Gasturbinentriebwerks sowie Gasturbinentriebwerk mit entsprechend gekühlten Turbinenschaufeln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung der Turbinenschaufeln eines mit einem Verdichter und einem Schmiermittelsystem versehenen Gasturbinentriebwerks, ein Gasturbinentriebwerk,dessen Turbinenschaufeln nach diesem Verfahren luftgekühlt sind sowie eine Kühleinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, daß die an der Welle eines Gasturbinentriebwerks zur Verfügung stehende Leistung und der spezifische Brennstoffverbrauch (d.h. der Brennstoffverbrauch pro Einheit der abgegebenen Leistung) dadurch verbessert werden können, daß die Turbineneinlaßtemperatur erhöht wird. Bei gebräuchlichen Turbinen ist die£inlaßtemperatur aber durch die physikalischen Materialeigenschaften begrenzt. Um einen Betrieb der Turbinen bei Gasstromtemperaturen zu ermöglichen, die höher als die für das Material jeweils zulässigen Temperaturen liegen, wurden schon verhältnismässig

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komplizierte Verfahren zur Kühlung der Turbine angegeben. Bei älteren Gasturbinen-Triebwerken war die Kühlung der hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteile auf die Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung auf Teile niedriger Temperaturen begrenzt; die Luftkühlung war darauf beschränkt, verhältnismässig kühle Luft über die Oberfläche der Turbinenrotorscheiben streichen zu lassen. Um die bei höheren Turbineneinlaß temperaturen vorhandenen Vorteile der möglichen Verbesserung der Betriebseigenschaften wahrnehmen zu können, werden bei der heute üblichen Turbinenkühlung luftgekühlte hohle Turbinenleit- und Laufschaufeln verwendet, die einen Betrieb bei Gaseinlaßtemperaturen oberhalb von 109 4 Celcius gestatten. Zur Kühlung dieser hohlen Leit- und Laufschaufeln wurden schon eine Reihe von Vorschlägen gemacht. Im wesentlichen beruhen diese auf zwei Grundformen der Luftkühlung, die abhängig von der Höhe der auftretenden Gastemperaturen und dem Maß der zulässigen Kompliziertheit des Aufbaus, entweder einzeln oder gemeinsam angewandt werden. Diese Grundformen der Luftkühlung werden als Konvektionskühlung und Filmkühlung bezeichnet. Besonders zweckmässige Beispiele für diese moderne Luftkühlung der Turbinen auf der Basis dieser beiden Kühlverfahren sind in den US-PS 3.700.348 und 3.715.170 beschrieben.

Die mit einer komplizierten Luftkühlung erzielten Vorteile werden aber zumindest teilweise durch die Notwendigkeit der Ableitung der erforderlichen Kühlluft aus dem schuberzeugenden Kreislauf des Triebwerks aufgewogen. So ist beispielsweise das vermutlich gebräuch-

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lichste Turbinenkühlmittel heute Luft, welche von dem Verdichterteil des Gasturbinentriebwerks abgezweigt
und in den hohlen Innenraum der Turbinenschaufeln eingeleitet wird. Die Verdichterluft , deren Temperatur wesentlich niederer als die des die Turbine durchströmenden Gasstromes ist, nimmt Wärme von den Turbinenschaufeln auf, um diese auf einer zulässigen Temperatur zu halten. Wenn diese erhitzte Kühlluft aus den Turbinenschaufeln etwa als Kühlfilm austritt, ist die Wärmeenergie für den schuberzeugenden Kreislauf des Triebwerks verloren, weil die Kühlluft normalerweise mit
den Abgasen vermischt und aus einer Triebwerksduse
ausgeschoßen wird. Insbesondere muß von dem Verdichter für die von dem Verdichter abgezv/eigte und als Kühlluft für die Turbinenrotorschaufeln verwendete Luft Arbeit aufgebracht werden. Da die Luft aber normalerweise
strömungsabwärts von der Turbinendüse in den Gasstrom eingeführt wird, gibt sie nicht ihren vollen Energieinhalt an den schuberzeugenden Kreislauf zurück,
wenn sie sich in der Turbine entspannt. Außerdem erzeugt die Wiedereinführung der Kühlluft in den Gasstrom einen Verlust an Gesamtdruck in dem Gasstrom. Dies rührt von den beim Injizieren einer Kühlluft mit verhältnismässig geringem Gesamtdruck in einen Gasstrom hohen
Gesamtdruckes auftretenden Mischverlusten her. Je grosser der Anteil der durch die Turbinenschaufeln geleiteten Kühlluft ist, umso grosser werden die Verluste des schuberzeugenden Kreislaufs. Während die Turbinenschaufelkühlung somit über bestimmte Vorteile verfügt, ist sie auch mit gewissen Nachteilen behaftet, die von der Menge der zur Kühlung der Turbinenrotorschaufeln erforderlichen Kühlluft abhängen.

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Die Triebwerksleistung kann deshalb dadurch erhöht werden, daß die Menge der zur Kühlung der Turbinenrotorschaufeln erforderlichen Luft verringert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Weg zu weisen, der es gestattet, die Turbinenrotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks derart zu kühlen _r daß diese den Verbrennungsgasen hoher Temperatur standhalten können und dabei die Menge der für die Kühlung der Rotorschaufeln erforderlichen Kühlluft dadurch zu verringern, daß die Temperatur der durchströmenden Kühlluft abgesenkt wird, um damit den Kühlungswirkungsgrad zu verbessern»

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindüngsgemäß nach den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgegangen.

Ein Gasturbinentriebwerk- mit einem Verdichter und einer Turbine, deren Schaufeln nach diesem Verfahren luftgekühlt sind sowie mit einem Schmiermittelsystem,ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 2 gekennzeichnet.

Schließlich ist eine Kühleinrichtung zur Durchführung diese Verfahrens für die Turbine eines Gasturbinentriebwerks, das einen Verdichter und ein Schmiermittelsystem aufweist, gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichnet.

Durch die Erfindung wird ein Plugzeug-Gasturbinentriebwerk geschaffen, bei dem die von dem Verdichter an dem für die Turbinenkühlung abgezweigten Teil der verdichteten Luft geleistete Arbeit als nützliche Energie in den schuberzeugenden Kreislauf des Triebwerks zurückgeführt wird.

Die Erfindung kann bei einem Flugzeug - Gasturbinentriebwerk derart angewandt werden, daß eine Turbine verwendet wird, deren Rotorscheiben eine Anzahl hohler, luftgekühlter Turbinenschaufeln tragen. Von dem Verdichterteil des Triebwerks wird Kühlluft abgezweigt, die radial nach innen in einen kompakten Wärmeaustauscher eingeleitet wird, der mit dem Verdichter verbunden ist und mit diesem umläuft. Die bei der Verdichtung in die Kühlluft eingeführte Wärme wird in dem Wärmeaustauscher durch Schmieröl des Triebwerks entzogen, welches durch den Wärmeaustauscher geleitet und in eine wärmeaustauschende Zuordnung zu der Kühlluft gebracht wird. Die Kühlluft wird sodann von dem Wärmeaustauscher durch die Turbinenrotorschaufeln geleitet, um diese zu kühlen. Bei dem Schmieröl handelt es sich um öl, das der normalen Triebwerksschmierung dient, so daß das Flugzeug kein zusätzliches Kühlmittel mitführen muß. Das öl wird sodann mittels Triebwerksbrennstoff oder (in einem Gasturbinenluftstrahltriebwerk) durch den Bläserluftstrom in dem Bypasskanal in einem feststehenden Wärmeaustauscher gekühlt, der verhältnismässig weit von der Turbine entfernt angeordnet ist. Die Verwendung des Brennstoffs als letzte Wärmesenke ergibt ein regneratives Triebwerk, bei dem der Großteil der aus der verdichteten Luft entzogenen Wärme als erwärmter Triebwerksbrennstoff wieder in den Arbeitskreislauf/Ges Triebwerks zurückgeführt wird.

Der Einbau dieses Wärmeaustauschers (oder des Kühlers für die Kühlluft) in ein Flugzeug-Gasturbinentriebwerk gestattet es, die Menge der für die Kühlung der Turbinenrotorschaufein erforderlichen Verdichterluft

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herabzusetzen; er ergibt deshalb eine Verbesserung
der Triebwerksleistung. Andererseits kann eine Verlängerung der Lebensdauer der Schaufeln dadurch erreicht werden, daß bei Aufrechterhaltung des ursprünglichen Kühlmitteldurchsatzes die Temperatur des Kühlmittels abgesenkt wird, wodurch sonst praktisch keine Beeinträchtigung der Triebwerksleistung erfolgt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flugzeug-Gasturbinenluftstrahltriebwerk gemäß der Erfindung im axialen Schnitt, in
einer Seitenansicht und im Ausschnitt,

Fig. 2 die Kühleinrichtung des Triebwerks nach Fig. im axialen Schnitt, in einer Teildarstellung und in einem anderen Maßstab,

Fig. 3 die Kühleinrichtung des Triebwerks nach Fig. 1, im axialen Schnitt, in einer Teildarstellung unter VeranschaulichungAnsbesondere des Strömungsweges der verdichteten Kühlluft zu dem umlaufenden Wärmeaustauscher,

Fig. 4 die Anordnung nach Fig. 3, geschnitten längs der Linie 4-4 der Fig. 3 in einer Seitenansicht in einem anderen Maßstab, unter Veranschaulichung des Innenaufbaus des Wärmeaustauschers in grösserer Einzelheit und

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Fig. 5 die Anordnung nach Fig. 3, geschnitten längs der Linie 5-5 der Fig. 3, in einer Seitenansicht, in einem anderen Maßstab unter Veranschaulichung eines Endes des Wärmeaustauschers in grösserer Einzelheit.

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In der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen überall jeweils gleichen Teilen entsprechen, zeigt Fig. 1 ein Flugzeug-Gasturbinenluftstrahltriebwerk, das allgemein mit 10 bezeichnet und schematisch veranschaulicht ist. Gasturbinenluf tstrahltriebwerke sind an sich bekannt; eine kurze Beschreibung der Funktionsweise des Triebwerks erleichtert aber das Verständnis des Zusammenwirkens der einzelnen Teile in dem erfindungsgemässen Sinne. Das Triebwerk weist ein B as is triebwerk 12, eine/Gebläsestufe 14 mit einem Satz feststehender Gebläseschaufeln 16 (von denen der Einfachheit halber lediglich eine dargestellt ist) sowie eine Turbine 18 auf, welche mit der Gebläsestufe 14 über eine drehbare Welle 20 gekuppelt ist. Das Basistriebwerk 12 weist einen axial durchströmten Verdichter 22 auf, dessen Rotor 24 eine Anzahl umlaufender Schaufelreihen 26 (Rotoren) trägt, und dessen Verdichtergehäuse 2 8 mit einer Anzahl feststehender Schaufelreihen 30 (Statoren) versehen ist, die zwischen die Rotorenschaufelreihen 26 ragen. Luft tritt durch einen Einlaß 32 ein; sie wird dann zunächst von der Gebläsestufe 14 verdichtet. Ein erster Teil dieser verdichteten Luft strömt in einen Gebläse-Bypasskanal 34 ein, der teilweise durch das Basistriebwerk 12 und eine dieses umgebende Triebwerksgondel 36 begrenzt ist. Aus dem Gebläse-Bypasskanal 34 tritt die Luft durch eine nicht dargestellte'Gebläse-Düse aus. Ein zweiter Teil der verdichteten Luft strömt in einen Einlaß 40 ein; er wird sodann von dem Axialverdichter 22 weiter verdichtet und in eine Brennkammer 42 gefördert, wo er mit Brennstoff vermischt wird, welcher aus einer Brennstoffversorgungs-Einrichtung, etwa einem Flugzeug-Brennstofftank 44, über eine an sich bekannte Brennstoffregeleinrichtung 46 zugeführt wird, die durch die von dem Piloten könnenden Leistungs hebel-Eing-angssignale gesteuert ist. Der Brennstoff wird

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in der Brennkammer 42 verbrannt, wobei Verbrennungsgase hoher Energie erzeugt werden, die einen mittig angeordneten Turbinenrotor 48 antreiben. Der Turbinenrotor 48 (die Hochdruckturbine) weist eine Turbinenscheibe 50 auf, die an ihrem Umfang eine Anzahl hohler Turbinenrotorschaufeln 52 trägt, von denen der besseren Klarheit wegen lediglich eine dargestellt ist. Der Turbinenrotor 48 treibt in der bei Gasturbinentriebwerken bekannten Weise den Verdichterrotor über eine Verbindungswelle 5 4 an. Durch eine feststehende Reihe von Turbinenlextschaufeln 56 wird die Gasströmung in die umlaufenden Turbinenrotorschaufeln 52 geleitet. Die heißen Verbrennungsgase durchströmen sodann die Abgasturbine 18, welche ihrerseits die Gebläsestufe 14 antreibt. Die Antriebskraft wird somit durch die Luft durch den Gebläsc-Bypasskanal 34 und eine Gebläse-Düse ausstoßende Wirkung der Gebläsestufe 14 und den Ausstoß von Verbrennungsgasen aus einer Basistriebwerk- Schubdüse erzeugt, die nicht weiter dargestellt, aber an sich bekannt ist.

Nach dieser Beschreibung des allgemeinen Aufbaues eines Gasturbinenluftstrahltriebwerks wird auf Fig. 2 verwiesen, in der ein allgemein mit 62 bezeichnetes Turbinenkühlsystem in größerer Einzelheit dargestellt ist. Durch eine öffnung 64 in dem innen liegenden Strömungsweg des Verdichters 24 wird Druckluft von dem Verdichter 24 abgeleitet und von einem einer der den Verdichterrotor 24 (Fig.1) bildenden Rotorscheiben 68 zugeordneten Radialgebläserad 66 radial nach innen gefördert. Das Radialgebläserad 66 ist an sicfybekannt und bildet lediglich ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Ableitung eines Teils der verdichteten Luft von dem Verdichter 24. Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen, wurde die verdichtete Luft lediglich

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beispielhaft hinter der sechsten Rotorstufe abgeleitet. Die genaue Lage des Ableitungspunktes ist von dem Betrag der Verdichtung abhängig, der bei einem bestimmten Gasturbinentriebwerk erforderlich ist, um Kühlluft durch die/iohlen Turbinen ro tor sch au fein 52 hindurchzudrücken. Die ab geleitete, verdichtete Luft wird dann nach vorne zu durch eine Einrichtung, wie etwa einen ringförmigen Kanal 70, umgeleitet und in einen neuartigen, kompakten, umlaufenden Wärmeaustauscher 72 einströmen lassen, der im folgenden i einzelnen beschrieben wird.

Der Wärmeaustauscher 72 weist eine äußere, im wesentlichen zylindrische Gehäusewand 74 auf, die an ihrem vorderen Ende an dem Rotor des Verdichters 2 4 über eine Flanschverbindung 76 mit einem vorderen Wellenzapfen 78 verbunden ist. Das hin tere Ende der äußeren Gehäusewandung 74 ist radial durch ein hinteres kegelstumpfförmiges Trägerteil8O abgestützt, welches der Triebwerkswelle 54 zugeordnet ist und mit dieser umläuft. Ein innerer zylindrischer Gehäuseteil 82, der im wesentlichen konzentrisch zu der Gebläsewelle 20 innerhalb der äußeren zylindrischen Gehäusewandung 74 angeordnet ist, begrenzt mit der äußeren Gehäusewandung 74 einen Ringkanal 84. Wie aus Fig. 4 zu entnehmen, sind in derafaingkanal 84 eine Anzahl stranggepreßter Röhren 86 im Abstand verteilt, ringsum/unter Ausbildung eines Ringes angeordnet. Jeder Röhre 86 ist eine Anzahl seitlich abstehender Rippen 88 zugeordnet, die sich im wesentlichen über die gesamte axiale Länge der Röhre erstrecken. Außerdem weist jede Röhre 86 eine Anzahl axial verlaufender Hohlräume 90 (im vorliegenden Fall vier) auf, die durch das Innere der Röhre verlaufen. Jede Röhre 86 ist jeweils beispielsweise durch Anschweißen oder Hartanlöten zwischen einer vorderen und einer hinteren Trennwand 9 2 bzw. 94 befestigt. Die von den Röhren 86 und den Trennwän-

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den 92, 9 4 gebildete Einheit ist innerhalb der äußeren Gehäusewand 74 axial freibeweglich, um damit den Einfluß von Wärmedehnungen ausgleichen zu können. Zu diesem Zwecke sind jeder Röhre 86 eine Anzahl von Abstandsstücken 96 zugeordnet, die an der Innenfläche der äußeren Gehäusewand 74 im Schiebesitz anliegen. Zusätzlich ist das vordere Ende des inneren zylindrischen Gehäuses 82 im Schiebesitz in einen Ringschlitz 9 8 eingeführt, der an dem vorderen Wellenstummel 78 ausgebildet ist, während das hintere Ende des inneren Gehäuses 82 in einen an der hinteren Trennwand 9 4 vorgesehenen, mit ihm zusammenwirkenden Ringschlitz 100 ragt. Das innere Gehäuse 80kann deshalb unter Wärmeeinwirkung frei sich ausdehnen und zusammenziehen. 0-Ringe 101 zwischen dem vorderen Ende des inneren Gehäuses 82 und der vorderen Trennwand 9 2 sowie zwischen dem hinteren Ende des inneren Gehäuses 82 und der hinteren Trennwand 9 4 dienen dazu, das Innere des Wärmeaustauschers mediumsdicht abzudichten.

Der Wärmeaustauscher 72 ist konzentrisch zu der Gebläsewelle 20 mit dem geringst möglichen Durchmesser innerhalb des Rotors des Verdichters 24 derart angeordnet, daß sich ein kompakter Aufwand mit geringst möglichem Gewicht, niedriger Beanspruchung und kleinen Auswuchtschwierigkeiten ergibt . Wie aus Fig. 3 zu ersehen, tritt die von dem Verdichter 2 4 durch das Radialgebläserad 66 abgeleitete und durch den Ringkanal 70 nach vorne umgeleitete, verdichtete Luft in den umlaufenden Wärmeaustauscher 72 durch einen ersten Einlaß ein, welcher beispielsweise eine Anzahl von in dem vorderen Ende der äußeren Gehäusewandung 74 ausgebildeter Schlitze 102 aufweist, die in Mediumsverbindung mit dem Verdichter 24 stehen. Nach Durchströmen der Schlitze 102 wird die verdichtete Luft von einer Anzahl Leitflächen 104 nach hinten umgeleitet, welche von den vorderen Teilen der den einzel-

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nen Röhren 86 zugeordneten Rippen 88 (Fig.4) gebildet sind. Diese Leitflächen 104 sind dadurch erzeugt, daß ein Teil der Rippen 88 von den zugeordneten Röhren abgeschnitten, dann entsprechend dem jeweils erforderlichen Umleitprofil geformt und schließlich an den zugeordneten Röhren wieder hart angelötet oder angeschweißt worden ist. Die Leitflächen 104 dienen somit dazu, die verdichtete Luft hinter dem Turbinenrotor durch eine Anzahl von Luftkanälen 106 hindurchzuleiten, welche von miteinander jeweils zusammenwirkenden Paaren von Rippen 88 begrenzt sind. Die verdichtete Luft wird dann von dem Wärmeaustauscher 72 durch eine Einrichtung abgeleitet,welche einen ß&ftauslaß,etwa in Gestalt eines Ringkanals 108 aufweist, worauf die Luft in eine Anzahl radialer Bohrungskanäle 110 in der Turbinenscheibe und von da aus in die Turbinenschaufeln 52 einströmt. Der Aufbau und die Wirkungsweise des mit den in der Turbinenscheibe 50 vorgesehenen Bohrungskanälen arbeitenden Kühlsystemsist im einzelnen in der US-PS 3 982 852 beschrieben.

Das Gasturbinenluftstrahltriebwerk nach den Fig. _T und 2 ist mit einem Schmierstoffsystem der in der US-PS 3 944 beschriebenen Art ausgestattet. Dabei wird das Schmieröl für das Triebwerk über eine feststehende Ölzufuhrleitung 112 in den Innenraum der Gebläsewelle 20 eingeleitet. Das Schmieröl wird unter der von der Drehbewegung der Gebläsewelle 20 herrührenden Zentrifugalkraft radial nach außen geschleudert; es strömt außerdem wegen einer Aufweitung 114 der Gebläsewelle 20 nach vorne und über einen beispielsweise eine Anzahl radial verlaufender Bohrungen 116 der Gebläsewelle 20 aufweisenden,zweiten Wärmeaustaus ehe rein laß in den Wärmeaustauscher ein. Die Gebläsewelle 20 mit den Bohrungen 116 dient somit als Einrichtung zur Zuleitung des Schmieröls aus dem Schmierstoffsystem

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in den Wärmeaustauscher 72. Ein von der Innenfläche der Gebläsewelle 20 aus nach innen ragender Radialstopfen verhindert,daß Schmieröl über den Bereich der Bohrungen 116 hinausfließt.

Das Schmieröl strömt unter der von der Drehbewegung der Gebläsewelle 20 herrührenden zentrifugalen Pumpwirkung durch die Bohrungen 116 , von wo aus es einem öleinlaßsammler 120 des Wärmeaustauschers 72 zugeleitet wird. Der Öl-einlaßsammler 120 weist einen im wesentlichen zylinderischen Abschnitt 122 auf, der konzentrisch zu der Gebläsewelle 20 und im Abstand von dieser derart angeordnet ist, daß er mit dieser einen Ringkanal 124 begrenzt. Er ist außerdem bei 126 mit der Trennwand 9 4 drehfest verbunden. Wie insbesondere in Fig. 5 veranschaulicht, geht das vordere Ende des öleinlaßsammlers 120 von dem zylinderischen Abschnitt 122 in eine Anzahl abwechselnd angeordneter Rinnen 128, 130 über, die durch im wesentlichen gewellte Wände 132 begrenzt sind, welche ihrerseits eine axiale Verlängerung des zylinderisehen Abschnittes 122 mit umfassen. Den Rinnen 128 ist eine Anzahl im gleichen gegenseitigen Abstand angeordneter Öleinlaßkanäle zugeordnet, die dazu dienen, das Schmieröl aus dem Ringkanal 124 in die kleinen axial verlaufenden Hohlräume 90 der stranggepreßten Röhren 86 (Fig. 4) einzuleiten. Die abwechselnd angeordneten Rinnen 130 stehen in Mediumsverbindung mit den zwischen den stranggepreßten Röhren 86 verlaufenden Luftkanälen 106; sie sind von den Ölrinnen 128 durch die Wände 132 getrennt. Unter der zentrifugalen Pumpwirkung wird Öl in die Rinnen 128 und durch die axial verlaufenden Hohlräume 90 in einem dem durch die Luftkanäle 106 streichen den Luftstrom entgegengesetzten Sinne gepreßt. Auf diese

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Weise sind das verhältnismässig kühle Schmieröl und die verhältnismässig heiße, von dem Verdichter abgezweigte Luft in dem Wärmeaustauscher 72 in eine wärmeaustauschende Zuordnung gebracht, bei der Wärme aus der Luft über die Rippen 88 in das verhältnismässig kühle Schmieröl übergeleitt wird. Bei der in gegenseitiger wärmeaustausehender Zuordnung erfolgenden Durchströmung des Wärmeaustauschers 72 durch die beiden Medien steigt naturgemäß die öltemperatur, wahrem die von dem Verdichter abgezweigte Luft abgekühlt wird.

Aus denfig. 2 und 4 ist zu entnehmen, daß die Schmieröl-Hohlräume 90 sich in Axialrichtung durch die vordere Trennwand 92 in einen an dem vorderen Ende der Trennwand 92 ausgebildeten ringförmigen Hohlraum 134 erstrecken. In den Hohlraum 134 ragt teilweise eine ringförmige Dämmwand 136, die dem vorderen Wellenzapfen 78 zugeordnet ist und die Aufgabe hat, sicherzustellen, daß das Schmieröl vollständig durch alle axial verlaufenden Höhlungen 90 und nicht nur durch die Höhlungen 90 fließt, die im Bereiche des grösseren Durchmessers angeordnet sind. Das Schmieröl strömt bei einem Durchlaß 138 über die Dämmwand 136 und sodann durch Löcher 140 in den vorderen Wellenzapfen 78.Anschließend wird das Schmieröl radial nach außen auf einen feststehenden Ölsammler 142 geschleudert. Eine feststehende Prallwand 144 verhindert, daß das erhitzte Schmieröl in den einem Drucklager 146 zugeordneten Bereich zwischen dem umlaufenden Wellenstumme 1 78 und einenyfest stehen den Lagerträger 148 eindringt. Das aus dem Wärmeaustauscher 72 kommende, erwärmte öl wird sodann von dem aus den Lagersümpfen zurückströmenden Öl gemischt und in üblicher Weise abgesaugt. Eine Anzahl kleiner axial verlaufender Schlitze 150 an der Verbindungsstelle der Dämmwand 136 und der Trennwand 92 ermöglicht einen Ölablauf von dem Wärme-

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austauscher 72 bei Stillsetzung des Triebwerks, um ein Verkoken des Öls während strömungsloser Zeiten zu verhindern.

Dem Einlaßöls ammler 120 sind zwei Labyrinth-Dichtungen 152, 154 zugeordnet, die einen ölaustritt aus der Ringkammer verhüten. Falls jedoch Schmieröl durch die Labyrinth-Dichtungen 152, 154 durchtritt, so fließt es lediglich entweder nach hinten in einen rückwärtigen Lagersumpfbereich 156 , von wo es zusammen mit dem Lageröl abgesaugt wird oder es fließt längs des inneren Gehäuseteils 82 des Wärmeaustauschers 72 nach vorne und durch eine Anzahl Schlitze 158 ab, die an dem vorderen Ende des inneren Gehäuseteils 82 an dessen Verbindungsstelle mit dem ringförmigen Schlitz 98 des Wellenzapfens . 78 vorgesehen sind. Das öl strömt dann durch dieJLöcher 140 in dem vorderen Wellenzapfen ab, um schließlich mit dem aus dem Wärmeaustauscher 72 austretenden öl vermischt zu werden. In jedem Falle bildet eine ölleckage durch die Labyrinth-Dichtungen 152, 154 keinerlei Probleme.

In dem unwahrscheinlichen Fall, daß in dem Wärmeaustauscher 72 ein Ölleck auftreten sollte, würde Öl aus den Röhren unter Zentrifugalwirkung radial nach außen gegen die Innenseite der äusseren Gehäusewandung 74 geschleudert werden. Die Zentrifugalkraft würde das austretende Öl längs einer schrägen Rampe 160 nach vorne zu und durch eine Anzahl konischer Bohrungen 162 in dem vorderen Wellenzapfen 78 leiten und damit verhüten, daß Öl in den zwischen dem Verdichterrotor 24^ der Basistriebwerkswelle und der Turbine 48 vorhandenen, den Wärmeaustauscher enthaltenden Ringraum 164 eintritt, wo es eine Feuergefahr hervorrufen würde. Ein Leckö!rückstrom in den

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ringförmigen Luftkanal 70 wird durch Lippen 165 verhütet, die rings um jeden der Schlitze 102 von der Außenwandung 74 aus radial nach innen ragend angeordnet sind. Wegen der Lippen 165 wird deshalb längs der Innenfläche der Außenwandung 74 strömendes öl an den Schlitzen 102 vorbeigeleitet, so daß es nach vorne zu durch die Bohrungen 162 abströmt.

Im Betrieb wird somit verhältnismässig heiße Luft durch das Radialgebläserad 66 von dem Verdichter 24 abgeleitet und durch den ringförmigen Kanal 70 sowie durch die Schlitze 102 in den Wärmeaustauscher 72 eingespeist. Im Inneren des Wärmeaustauschers 72 wird die erwärmte Luft durch die zwischen den Röhren 86 vorhandenen Luftkanäle 106 nach hinten gepumpt, wobei sie durch die abwe chse In tiangeordne ten Rinnen 130 in den zylinderischen Abschnitt 122 einströmt, welcher mit dem hohlen Innenraum der Turbinenscheibe 50 in Verbindung steht. Verhältnismässig kaltes TriebwerksSchmieröl wird durch eine Pumpe über eine Leitung 169 aus einem Öltank 172 zu der feststehenden ölzufuhrleitung 112 gefördert, von wo aus es sodann in den Innenraum der Gebläsewelle 20 eingeleitet wird. Nach dem Eintritt in den Wärmeaustauscher 72 über die öffnungen 116 wird das Öl durch die in den stranggepreßten Röhren 86 vorgesehenen Hohlräume 90 im Gegenstrom zu der verhältnismässig heißen, von dem Verdichter abgezweigten Luft gepreßt. Zwischen den gegeneinander strömenden Mediumsströmen erfolgt ein Wärmeaustausch, worauf das erwärmte Triebwerksschmieröl gegebenenfalls mit dem Rücklauföl aus den Lagersümpfen vermischt und sodann in üblicher Weise abgesaugt wird. Um die der von dem Verdichter abgezweigten Luft entzogene Wärme wiederzugewinnen und sie in den schubkrafterzeugenden Kreis-

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lauf des Triebwerks zurückzuführen, um damit den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks zu erhöhen, wird das abgesaugte Schmieröl sodann über eine zugeordnete Einrichtung wie die Leitung 166 und die Pumpe 168,in der schematisch in Fig. 1 dargestellten Weise aus dem Lagersumpfbereich in einen zweiten Wärmeaustauscher 170 gefördert, in dem das Schmieröl und der in der Verbrennungskammer 42 zu verbrennende Brennstoff in wärmeaustauschender gegenseitiger Zuordnung stehen. Das gekühlte Schmieröl wird sodann über-· eine Leitung 174 in den Öltank 172 zurückgeleitet. Eine Leitung 176 stellt eine Verbindung zwischen dem Brennstofftank 44 und dem Wärmeaustauscher 170 her, v/ährend Leitungen 178, 180 den erwärmten Brennstoff zu der Verbrennungskammer 42 leiten. Auf diese Weise wird zumindest ein Teil der von den Turbinenschaufeln aufgenommenen Wärme wieder in Gestalt von erwärmtem Brennstoff in den Schubkrafterzeugungskreislauf des Triebwerks zurückgeführt. Der Gedanke, zwei Wärmeaustauscher, nämlich den Luft/ü!wärmeaustauscher 72 und den ül/Brennstoffwärmeaustauscher 170 zu verwenden, weist einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten regenerativen Kühlsystemen dadurch auf, daß der Brennstoff in beträchtlichem Abstand von dem heißen Turbinenrotorabschnitt gehalten wird, womit die Feuersgefahr im Falle des Auftretens von Leckagen wesentlich reduziert wird. Außerdem ergibt das Schaufelkühlmittel, nämlich Luft, keinerlei Feuergefährdung.

Zur Kühlung des erwärmten Schmieröls können natürlich auch andere Ausführungsformen einer Kühleinrichtung alternativ verwendet werden. Während in Fig. 1 die Verwendung des Öl/Bre Stoffwärmeaustauschers 170 zur Wiedergewinnung des größten Teiles der der von dem Verdichter abgezweigten Luft entzogenen Wärme und zu deren Rückführung in Form erwärmten Brennstoffes in den Triebwerksarbeitskreislauf verwendet wird, so daß sich eine Art regeneratives Triebwerk ergibt, kann es bei bestimmten Einsatzfällen auch genügen,

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wenn diese regenerative Eigenschaft weggelassen wird, um damit den Gesamtaufbau des Triebwerks zu vereinfachen. Turbinenluftstrahltriebwerke sind insbesondere für die Anordnung eines Kühlers in dem Gebläse-Bypasskanal 3 4 geeignet, um damit Wärme aus dem Öl in der Weise zu erziehen, daß dieses mit dem den Gebläse-Bypasskanal 34 durchströmenden Luftstrom in eine wärmeaustauschende Zuordnung gebracht wird. Derartige ölkühler sind an sich bekannt und ohne weiteres erfindungsgemäß verwendbar. Bei einer derartigen Ausführungsform ■'st die Wärme naturgemäß teilweise für den Schuberzeugungskreislauf verloren. Es ist deshalb vorzuziehen, wenn möglich,die' in Fig. 1 schematisch veranschaulichte regenerative Anordnung zu verwenden.

Die beschriebene Turbinenschaufelkühlung weist ersichtlich eine Reihe von Vorteilen über bekannte Kühleinrichtungen auf. So ist z.B. der Luft/Ü!wärmeaustauscher 72 derart aufgebaut und in dem Triebwerk derart angeordnet, daß er die Gestaltung oder die Konstruktion der in der Nähe liegenden Teile nicht wesentlich beeinflußt, weil er in einem Bereich liegt, der sonst normalerweise leer ist. Da er bei dem kleinstinöglichen Durchmesser angeordnet ist, ergibt sich ein kompakter,leichtgewichtiger Aufbau, der keinen hohen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Außerdem verwendet die Erfindung übliche Turbinenscheiben, wobei ein gebräuchliches,sicheres Sekundär- Bordkühlmittel (Öl) benutzt wird. Das flüchtigere Kühlmittel-Brennstoff- ist von dem heißen Turbineηrotorteil getrennt.

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Die Anlage kann mit gebräuchlichen Herstellungsverfahren unter Verwendung verhältnismässig billiger Turbinenschaufeln langer Lebensdauer aufgebaut werden. Die Verwendung von von dem Verdichter abgezweigter Luft als Turbinenschaufel-Kühlmittel ist erfahrungsgemäß sehr zuverlässig; die Menge der von dem Verdichter abzuzweigenden Luft ist aber wesentlich verringert, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks erhöht wird. Der einen kleinen Durchmesser aufweisende Wärmeaustauscher gestattet es in idealer Weise, die gekühlte, von dem Verdichter abgezweigte Luft in die Bohrungen der Rotorscheibe einer Turbine hoher Drehzahl einzubringen. Außerdem kann die ganze Anordnung für regenerative Triebwerke verwendet werden, so daß sich eine Verringerung des spezifischen Triebwerksbrennstoffverbrauches ergibt. Schließlich sind Vorkehrungen getroffen, um eine Leekage von Triebwerksschmiermittel aus dem Wärmeaustauscher in den Verdichter und die Hohlräume des Turbinenrotors zu verhüten, wo dadurch eine Feuersgefahr entstehen könnte.

Die Erfindung ist naturgemäß einer Reihe von Abwandlungen und Ausgestaltungen fähig. So ist z.B. die Erfindung im Vorstehenden als Teil eines Turbinenluftstrahltriebwerkes beschrieben, doch kann sie selbstverständlich auch für Zweikreis-Turbinen-Luftstrahltriebwerke verwendet werden, wie auch die Verwendung für Turbinen-Luftstrahltriebwerke mit drei oder mehr Abschnitten oder Wellen, sowie für Turbomotoren für Schiffsantriebe oder industrielle Zwecke möglich ist.

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Claims

Oft Q1 β η 1 Paiemanwälte Dipl.-lng. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Riiger

fc«4 I VW I 7300 Esslingen (Neckar). Webergasse 3. Postfach 348

19.JUÜ 1978 Stuttgart (0711) 356539

,r ..·, 359619

OJ JTUue Telex 07256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingennackar

Patentansprüche

) Verfahren zur Kühlung der Turbinenschaufeln eines mit einem Verdichter und einem Schmiermittelsystem versehenen Gasturbinentriebwerks, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der von dem Verdichter verdichteten Luft abgezweigt und die abgezweigte Luft in Wärmeaustauschende Zuordnung zu Schmiermittel des Schmiermittelsystems gebracht und dadurch die abgezweigte Luft gekühlt wird,und daß die so gekühlte Luft durch die Turbinenschaufeln geleitet wird.
2. Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter und einer Turbine, deren Schaufeln nach dem Verfahren nach Anspruch 1 luftgekühlt sind, sowie mit einem Schmiermittelsystem, dadurch gekennzeichnet, daß ^ee einen mit dem Verdichter (24) umlaufenden Wärmeaustauscher (72) enthält, der einen mit dem Verdichter (24) in Verbindung stehenden und von diesem mit verdichteter Luft gespeisten ersten Einlaß (66) und einem zweiten_fan das Schmiermittelsystem (167, 169) angeschlossenen und von diesem mit Schmiermittel versorgten zweiten Einlaß (116) aufweist, und daß ein Auslaß (122) des Wärmeaustauschers (72) in Mediumsverbindung mit den Turbinenschaufeln (52) steht.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Kühleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, für die Turbine eines Gasturbinentriebwerks, das einen Verdichter und ein Schmiermittelsystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (64, 66) zur Abzweigung eines Teiles der von dem Verdichter (2 4) verdichteten Luft und einen Wärmeaustauscher (72) enthält, dem die abgezweigte Luft durch eine Luftleiteinrichtung (70, 102) zuleitbar ist und der durch eine Schmiermittelzufuhreinrichtung (112, 167, 169) mit aus dem Schmiermittelsystem abgeleitetem Schmiermittel beaufschlagbar ist, das in dem Wärmeaustauscher (72) in eine wärmeaustauschende Zuordnung zu der abgezweigten Luft gebracht ist,und daß die abgezweigte Luft von dem Wärmeaustauscher (72) aus durch eine Luftführungseinrichtung (122, 110) in die Turbinenschaufeln (52) einleitbar ist.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (72) im wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete ₍ innere und äussere Wandungen (74, 82) aufweist, durch die ein dazwischenliegender Ringraum (84) begrenzt ist, inüem eine Anzahl im gegenseitigen Abstand längs des Umfanges des Ringraumes verteilt angeordneter hohler Rippenrohre (86) enthalten sind, die an zwei zwischen der inneren und der äusseren Wandung (82, 74) sich erstreckenden und den Ringraum (84) mit begrenzenden Trennwänden (92,

94) gehaltert sind, und daß in dem Wärmeaustauscher (72) die abgezweigte Luft zwischen den Rippenrohren (86) und

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das Schmiermittel durch den hohlen Innenraum (90) der Rippenrohre (86) geleitet sind.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Luft von dem Verdichter (24) durch ein Radialgebläserad (66) abgeleitet ist, das mit dem Verdichter (24) umläuft und daß die Luft von dem Radialgebläserad (66) in einen die äussere Wandung (74) umgebenden Ringkanal (70) einspeisbar ist.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (70) mit dem zwischen der inneren Wandung und der äusseren Wandung (82, 74) befindlichen Ringraum (84) in Verbindung steht.

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Rippenrohre (86) eine Anzahl seitlich vorragender und sich über die Länge der Rippenrohre (86) erstreckender Rippen (88) aufweist, die endseitig derart geformt sind, daß die abgezweigte Luft aus dem Ringkanal (70) durch die äussere Wandung (74) hindurch in den Wärmeaustauscher (72) einleitbar ist.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (72) mit dem Verdichter (24) und der Turbine (18) gekuppelt und mit diesen umlaufend ausgebildet ist.

9. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Schmiermittelsammler (20) aufweist, der mit einer eine Anzahl von Rinnen (128, 130) begrenzenden,

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gewellten Wand (132) versehen ist, und daß die Rinnen (128, 130) abwechselnd mit dem hohlen Innenraum (90) der Rippenrohre (86) und dem zwischen den Rippenrohren (86) befindlichen Ringraum (106) in Verbindung stellen.

10. Gasturbinentriebwerk mit einem Verdichter und einer mittels einer Welle mit diesen gekuppelten Verdichter sowie mit einem zugeordneten Schmiermittelsystem, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Verdichter (24), die Welle (20) und die Turbine (18) teilweise ein innenliegender Hohlraum begrenzt ist, irvtiem ein mit dem Verdichter (2 4) und der Turbine (18) umlaufender, erster Wärmeaustauscher (72) angeordnet ist, der einerseits mit dem ihn mit einem Teil der erwärmten, Verdichteten Luft versorgenden Verdichter (24) und andererseits mit dem ihn mit verhältnismässig kaltem Schmiermittel versorgenden Schmiermittelsystem (172, 167, 169) in Verbindung steht , und daß in dem ersten Wärmeaustauscher (72) die Luft und das Schmiermittel in eine wärmeaustauschende gegenseitige Zuordnung gebracht sind, durch die die Luft unter Erwärmung des Schmiermittels kühlbar ist.

11. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmeaustauscher (72) zwei im wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete innere und äussere Wandungen (82, 74) aufweist, durch die ein dazwischenliegender Ringraum (84) begrenzt ist, in dem eine Anzahl hohler Rippenrohre (86) im gegenseitigen Abstand ,längs des Umfanges des Ringraumes verteilt angeordnet sind, und daß die von dem Verdichter (24) abge-, zweigte Luft durch den Ringraum (106) zwischen den Rippen-

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rohren (86) und das Schmiermittel durch den hohlen Innenraum (90) der Rippenrohre (86) geleitet sind.

12. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Brennkammer (42) aufweist, in der die von dem Verdichter (24) kommende verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und verbrannt wird, und daß ein zweiter Wärmeaustauscher (170) vorgesehen ist, der durch eine Zufuhreinrichtung (166, 168) mit dem erwärmten Schmiermittel aus dem ersten Wärmeaustauscher (72) gespeist und von diesem Schmiermittel durchströmt ist,und daß durch eine Brennstoffleiteinrichtung (176) der zweite Wärmeaustauscher(170) in Reihe zu der Verbrennungskammer (42) liegend von Brennstoff durchströmt ist, der darin vor der Verbrennung erwärmbar ist.

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