DE2913548C2

DE2913548C2 - Wellenkühlung für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2913548C2
Application number: DE2913548A
Authority: DE
Inventors: David Alexander Derby Campbell
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-04-06
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1982-07-08
Also published as: US4291531A; IT7921628A0; FR2422036A1; DE2913548A1; FR2422036B1; IT1111236B; JPS55131531A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellenkühlung für ein Gasturbinentriebwerk der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung. Ein solches Triebwerk ist aus der DE-OS 20 35 423 bekannt Hierbei wird die die Welle kühlende Luft dem Hauptgasstrom weit unterhalb der Turbine in die heißen Abgase eingeleitet. Infolge des hohen Druckabfalls ergibt sich ein nicht unbeträchtlicher Energieverlust, der die Antriebsenergie verringert

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad des Triebwerks durch eine günstigere Kühlluftführung für die Wellenkühlung zu verbessern.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die verbrauchte Kühlluft in die Brennkammer eingeführt wird, ergibt sich eine Verringerung des Druckabfalls und eine Verbesserung des Wirkungsgrades, die durchaus meßbar ist, da bei Triebwerken dieser Gattung die zur Kühlung der Welle benutzte Luft etwa 2% der Gesamtluftströmung beträgt. Hierdurch werden der ^M Brennstoffverbrauch und die Wirtschaftlichkeit des Triebwerks verbessert.

Nachstehend werden Ausführungsbetspiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Wellenkühlung nach der Erfindung,

F i g. 2 in größerem Maßstab eine Schnittansicht der Verbrennungseinrichtung des Triebwerks gemäß Fig. 1,

F i g. 3 eine der F i g. 2 entsprechende Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Verbrennungseinrichtung mit Wellenkühlung.

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit einem Kerntriebwerk 10, welches einen Verdichter 11, eine Verbrennungseinrichtung 12, eine Turbine 13 und eine Schubdüse 14 in Strömungsrichtung hintereinander aufweist. Der Verdichter 11 und die Turbine 13 sind durch eine Antriebswelle 15 verbunden.

Weil die Turbine 13 der Wirkung der sehr heißen Gase aus der Verbrennungseinrichtung 12 ausgesetzt wird, ist es nötig, die am stärksten beaufschlagten Teile der Turbine zu kühlen. Die Kühlluft, die diese Funktion durchführt, wird von der vom Verdichter 11 verdichteten Lufi abgezapft und aus F i g. 2 ist im einzelnen ersichtlich, wie dies geschehen kann.

In F i g. 2 ist das stromabwärtige Ende des Verdichters 11 in weiteren Einzelheiten dargestellt und er weist Rotorschaufeln 16 und Statorschaufeln 17 auf. Die Rotorschaufeln werden vom Verdichterrotor 18 getragen, der einstückig mit der Antriebswelle 15 hergestellt ist, oder mit dieser fest verbunden ist Die Statorschaufeln 17 werden von einem Gehäuseteil 19 getragen. Die stromabwärtige Gruppe von Rotorschaufeln 16 und der Rotor 18 bilden das stromabwärtige Ende des Verdichters und ein Ringspalt 20 ist zwischen diesem stromabwärtigen Ende und einem Diffusorabschnitt 21 vorgesehen. Eine Stufe von Auslaßleitschaufeln 22 wird zwischen dem Gehäuseteil 19 und dem Diffusorabschnitt 21 unmittelbar stromab des Ringspaltes 20 und der letzten Stufe der Rotorschaufeln 16 getragen.

Stromab der Auslaßleitschaufeln 22 divergiert der Diffusorabschnitt 21 so, daß ein relativ großer Raum entsteht, in dem die Brennkammer 23 angeordnet ist. Weil die Brennkammer keinen wesentlichen Bestandteil der Erfindung darstellt, wird sie im einzelnen nicht beschrieben, aber es ist ersichtlich, 'laß diese Brennkammer eine Ringbrennkammer ist.

Das Innengehäuse 21 ist mit einem Einlaß 24 versehen, der zwischen einem Fortsatz 25 und dem zylindrischen Abschnitt des Gehäuses unmittelbar stromab der Grenze der Divergenz ausgebildet ist. In den Einlaß 24 eintretende Luft kann durch öffnungen 26 nach der Innenseite des Gehäuses 21 strömen. Ein zweites Innengehäuse 27 ist im Abstand von dem zylindrischen Abschnitt des Gehäuses 21 angeordnet. Das zweite Gehäuse 27 ist bei dieser Ausführungsform mit Versteifungsringen 29 versehen, die verhindern, daß das Gehäuse deformiert wird.

Die Ringkammer 28 bildet einen Kanal für die Kühlluft, die durch den Einlaß 24 und die Öffnungen 26 strömt, und der Kanal leitet diese Luft innerhalb des Triebwerks nach der Turbine 13.

Die Turbine 13 weist einen Turbinenrotor 30 mit Turbinenrotorschaufeln 31 auf. Weil die Rotorschaufeln 31 den Heißgasen ausgesetzt sind, die aus der Brennkammer 23 über die Düsenleitschaufeln 32 austreten ist es notwendig, diese Schaufeln 31 zu kühlen. Um diese Kühlung zu bewirken, läßt man die in der Ringkammer 28 abströmende Luft am stromabwärtigen Ende der Kammer durch eine Reihe von Wirbelschaufeln 33 in eine Kammer 35 abströmen, die durch Flansche 34 und 36 des Rotors 30 definiert ist und gegenüber dem Aufbau benachbart zu den Wirbelschaufeln 33 abgedichtet ist Die Wirbelschaufeln 33 sind so

ausgebildet, daß der Kühlluft eine der Winkelgeschwindigkeit des Rotors 30 entsprechende Winkelgeschwindigkeit aufgeprägt wird. Die Kühlluft aus der Kammer 35 kann dann durch Kanäle 37 im Rotor 30 und demgemäß nach den Schaufelfüßen der Schaufeln 31 abströmen. Die Luft kann dann in Kühlkanäle 38 in jeder Schaufel eintreten, um eine Kühlung zu bewirken und ein Anteil dieser Luft wird über Filmkühllöcher in der Schaufeloberfläche dem Gasstrom des Triebwerks wieder zugeführt Auch diese Kühlkanäle sind im ι ο einzelnen nicht dargestellt, weil ihre Ausbildung und Form für die Erfindung nicht wichtig sind.

Nicht alle Kühlluft, die in die Ringkammer 28 eintritt, strömt durch die Wirbelschaufeln 33, um die Schaufeln 31 zu kühlen. Ein Anteil der Luft, und zwar normalerweise der geringere Anteil, strömt durch mit Wirbelschaufeln versehene Austrittsdüsen 39, die unmittelbar innerhalb des Flansches 34 angeordnet sind. So lassen die Austrittsdüsen Luft in den Ringraum 40 einströmen, der zwischen dem zweiten Innengehäuse 27 und der Antriebswelle 15 ausgebildet ist. Diese Luft strönu in Gegenrichtung zu der Luft in der Ringkammer 28, nämlich gemäß der Zeichnung von recht: nach links.

Die Wirbelschaufeln sind in den Austrittsdüsen 39 so angeordnet, daß der Luft die maximal mögliche Winkelgeschwindigkeit aufgeprägt wird, die vergleichbar ist mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle 15 und bei ihrem Vorbeiströmen an der Welle kühlt die Luft diesen Aufbau.

Der Ringraum 40 ist vollständig abgedichtet, außer am Einlauf, der von den Austrittsdüsen 39 gebildet ist und mit Ausnahme des Ringspaltes 20, der einen Austritt für die Kühlluft bildet. Die Luft strömt demgemäß von den Austrittsdüsen 39 nach dem Ringspalt 20, wo eine Wiedervereinigung mit dem Hauptluftstrom des Triebwerks erfolgt

Wegen der Auslaßleitschaufeln 22 und wegen des Diffusorabschnitts wird der statische Druck der Luft, die vom Verdichter 11 verdichtet wurde, erhöht und der Druck der Luft am Einlaß 24 wird beträchtlich größer als am Rirjspalt 20. Es besteht daher eine genügend hohe Druckdifferenz, um eine Zirkulation der Luft vom Einlaß 24 durch die Wirbelschaufeln und auf dem Weg über den Ringraum 40 nach dem Ringspalt 20 zu bewirken. Die Kühlluft, die durch die Wirbelschaufeln 33 strömt, steht unter einem höheren Druck als es dann der Fall wäre, wenn die Luft vom Ringspalt 20 abgezapft würde und dies bedeutet zusammen mit der Tatsache, daß die Luft nicht zur Kühlung einer Welle 15 benutzt wurde, daß die Qualität der die Schaufeln 31 erreichenden Luft beträchtlich verbessert ist.

F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform. Der Verdichter 11 ist dem Aufbau nach Fig.2 gleich, und auch die Brennkammer 23 und die Auslaßleitschaufeln 22 sowie das Gehäuse 19 des Diffusorabschnitts 21, die Welle 15 und die Turbinenschaufeln 31 entsprechen dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2.

In diesem Falle unterscheidet sich jedoch das zweite innere Gehäuse etwas vom Gehäuse 27 nach Fig. 2. In F i g. 3 ist ein Innengehäuse 41 mit Austrittsdüsen 42 vorgesehen, die einen Anteil der längs der Ringkammer 43 abströmenden Luft benachbart zur Welle 15 und durch den Ringspalt 20 fließen lassen. Eine Dichtung 53 wird von der Welle 15 getragen und arbeitet mit einem Dichtungskörper 44 zusammen, der von dem zweiten inneren Gehäuse 41 getragen wird, um den Bereich zwischen dem Gehäuse 41 und der Welle 15 in einen stromaufwärtigen Ringraum bzw. einen stromabwärtigen Ringraum 45 aufzuteilen. Das Gehäuse 41 endet in einer Scheidewand 46, aber ein weiteres Gehäuse 47 erstreckt sich nach einer Stelle benachbart zum Turbinenrotor 48, um einen Kanal 49 zu bilden, der eine Fortsetzung des Kanals 43 darstellt Die Kanäle 50 lassen die Kühlluft vom Kanal 43 nach dem Kanal 4<* strömen, und Wirbelschaufeln 51 bewirken, daß die Kühlluft von dem Kanal 49 in den stromabwärtigen Ringraum 45 eintritt Dieser Abschnitt liegt benachbart zur Scheibe 48 und es sind Kanäle 52 im Aufbau benachbart zum Turbinenrotor angeordnet, die diese Kühlluft in die Schaufelfüße der Schaufeln 31 eintreten lassen und sie auf diese Weise in die Kanäle 38 gelangen lassen.

Bei dieser Ausführungsform, die im Prinzip und ihrer Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 2 entspricht, bewirken jedoch die Dichtungen 53 und 44, daß die Kühlluft, die durch die Austrittsdüsen 42 hindurchtritt, nur den stromaufwärtigen Teil dp- Welle 15 zwischen dem Verdichter 11 und den Dichtungen 53 und 44 kühlt, Der stromabwärtige Teil der Welle 15 wird durch den kleinen Anteil von Luft gekühlt, der in den Ringraum 45 durch die Wirbelschaufeln 49 eintritt und dann zwischen den Dichtungen 53 und 44 als Leckstrom abschließt

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Hochdruckluft ausgenutzt die einer Diffusorwirkung unterworfen wurde, und es wird gewährleistet daß die Kühlluft für die Rotorschaufeln nicht vorher zur Wellenkühlung angewandt wurde. Bei beiden Ausführungsbeispielen vermindert die Rückführung der Wellenkühlluft nach der Haupttriebwerksluftströmung am Ringspalt 20 die Triebwerksverluste infolge Drosselung dieser Sekundärluftströmung.

Es sind verschiedene Abwandlungen gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel möglich. Insbesondere ist es möglich, anstelle einer einstufigen Turbine und einer einstufigen Kernturbine ein Mehrwellen.'riebwerk mit mehreren Kompressoren und Turbinen zu benutzen. Tatsächlich ist es für ein Mehrwellentriebwerk noch wichtiger, eine Kühlung für die Welle 15 von außen her zu bewirken. Im Falle eines Mehrwellentriebwerks ist es normalerweise zu bevorzugen, die Welle zu kühlen, die die auf niedrigstem Druck stehenden Bauteile verbindet. Obgleich der Einlaß 24, der von den, Teil 25 gebildet wird, eine sehr wirksame Möglichkeit bietet die erforderliche Luft abzuzapfen, ist es auch möglich, einen einfacheren Aufbau zu benutzen, z. B. Perforationslöcher im Gehäuse 21. Der Zweck wird am besten erreicht, indem Luft benutzt wird, die gerade am stromabwärtigen Ende des Diffusorsystems strömt, jedoch kann es auch zweckmäßig sein, die Luft an einer Stelle abzuzapfen, die weiter stromauf liegt So bilden die Auslaßleitschaufeln 22 eine Art Diffusor, und es kann in gewissen Fäl'en zweckmäßig sein, die Kühlluft unmittelbar stromab dieser Schaufeln anzuzapfen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kühlluft, die den Schaufeln 31 zugeführt wird, in zwei Abschnitie aufzuteilen, und „war einen mit einem hohen Druck und einen mit einem niedrigen Druck, wobei diese unterschiedlichen Drücke durch unterschiedliche Behandlung der einzigen Luftmasse erhalten werden.

Die Luft die vom Gehäuse 21 abgezapft wird, könnte auch in mehrere getrennte Rohre im Bereich der Gasturbine abströmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wellenkühlung für ein Gasturbinentriebwerk mit

a) einem Verdichterrotor und einem mit diesem über eine Welle verbundenen luftgekühlten Turbinenrotor;

b) einer zwischen dem Verdichter- und dem Turbinenrotor um die Welle herum angeordneten Brennkammer, die an ihrem stromaufwärtigen Ende einen mit Leitschaufeln versehenen Diffusorabschnitt für die verdichtete Luft aufweist, und

c) einer zwischen der Brennkammer und der Welle angeordneten, aus dem Diffusorabschnitt ü Kühlluft entnehmenden Ringkammer, die derart gerichtete Austrittsdüsen aufweist, daß der aus der Ringkammer in den zwischen der Ringkammer und der Welle vorhandenen Ringraum strömenden Kühlluft ein der Drehrichtutrg der Welle entsprechender Drall aufgeprägt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Austrittsdüsen (39, 42) an der dem Turbinenrotor (30, 48) zugewandten Seite des Ringraums (40) an der Ringkammer (28, 43) angeordnet sind; und

e) zwischen dem stromabwärtigen Ende des Verdichterrotors (18) und dem Diffusorabschnitt (23) ein Ringspalt (20) vorgesehen ist, 3" durch den die im Ringraum (40) erwärmte Kühllu^ft wieder der Hauptströmung des Gasturbinentriebwerks zuführbar ist