DE3037020A1

DE3037020A1 - Einrichtung zur kuehlluftfuehrung bei gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE3037020A1
Application number: DE19803037020
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 6000 Frankfurt Maderitsch; Gerhard Dipl.-Ing. 8047 Karlsfeld Rücker; Klaus Dipl.-Ing. 8060 Dachau Trappmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1982-05-13
Also published as: JPS5781129A; DE3037020C2; GB2084654B; FR2491142A1; GB2084654A; FR2491142B1

Description

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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH

München, den 25.09.1980 10

Einrichtung zur Kühlluftführung bei

Gasturbinentriebwerken

;

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlluftführung bei Gasturbinentriebwerken> insbesondere bei Gasturbinenstrahltriebwerken in Mehr-Wellen-Bauweise, wobei die Kühlluft an geeigneter Stelle des Verdichters, insbesondere des Hochdruckverdichters, entnommen und über einen Kanal zur Turbinenkühlung vorzugsweise der Hochdruckturbine zuführbar ist.

Insbesondere die Hochdruckturbinenlaufschaufeln moderner Großgasturbinenstrahltriebwerke benötigen Kühlluft relativ hohen Druckes, die zur Erzielung ausreichender Kühlung u.a. gegen Strömungsrichtung an den Vorderkanten der betreffenden Laufschaufeln ausgeblasen werden muß. Diese Luft wird im allgemeinen dem Brennkammerraum (zwischen Außengehäuse und Flammrohr der Brennkammer) entnommen und über Vordralldüsen dem Rotor, bzw. der betreffenden Tür-

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binenradscheibe zugeführt. Dieser Obergang vom stationären in das rotierende System ist mit zahlreichen Verlusten verbunden: Mischverluste, Stoß-5

Verluste und vor allem Leckverluste wegen des erforderlichen hohen Kühlluft-Druckniveaus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Kühlluftführung zu schaffen, bei der die zu Bekanntem erwähnten Verluste weitestgehend ausgeschaltet sind und eine aerodynamisch günstige Luftführung unter Gewährleistung eines verhältnismäßig hohen Kühlluft-Druckniveaus für die Turbinenkühlung bei vergleichsweise äußerst niedrigem Leistungsentzug aus dem aero-thermodynamischen Kreisprozeß des Triebwerkes erreicht werden soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung hauptsächlich die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale vor.

Vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise anhand eines Axial Schnitts einös Teils des Gaserzeugers nebst zugehörigem Hochdruckrotorsystem eines in Mehr-Wellen-Bauweise ausgeführten Gasturbinenstrahl triebwerks erläutert.

Der in der Zeichnung dargestellte Gaserzeuger des Gasturbinenstrahl triebwerks besteht im wesentlichen aus

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einem als Axialverdichter ausgebildeten, mehrstufigen Hochdruckverdichter 1, einer Ringbrennkammer .2 sowie einer als Axialturbine ausgebildeten, einstufigen Hochdruckturbine 3. Der Hochdruckverdichter 1 und die Hochdruckturbine 3 (Turbinenradscheibe 10) sind hierbei über rotationssymetrische bzw. trommeiförmige innere und äußere Wandabschnitte des Hochdruckrotorsystems untereinander verbunden, wobei die inneren Wandabschnitte in der Zeichnung - von links nach rechts - mit 4, 5 und 6 und die äußeren Wandabschnitte in der Zeichnung - von links nach rechts - mit 7 und 8 bezeichnet sind.

Eine in; wesentlichen zwischen den genannten inneren 4, 5 und 6 sowie äußeren Wandabschnitten 7 und 8 gebildeter Kanal 9 für die Kühl luftentnahme und -führung zur Turbinenradscheibe 10 sowie deren Turbinenlaufschaufeln 11 ist somit Bestandteil des Hochdruckrotor-20

systems. Auf diese Weise ergibt sich eine im Betrieb mitrotierende Luftentnahme und Luftführung im Hochdruckrotor.

Die aus den genannten Wandabschnitten zusammengesetzten Partien des Kanals 9 sind durch in Umfangsrichtung gegenüber den jeweiligen Verbindungsstellen A, B versetzte Umfangsschlitze oder dergleichen miteinander verbunden.

₃q Wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich, erfolgt im

vorliegenden Fall die Lutentnahme an der letzten Stufe des Hochdruckverdichters 1, genauer ausgedrückt, über

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einen hinter den Laufschaufeln 11 zwischen der äußeren Radscheibenstirnkante und einer unteren eintrittskantenseitigen Partie des betreffenden Verdichter- ^ stators der letzten Verdichterstufe liegenden, koaxial zur Triebwerksachse verlaufenden Entnahmeschiitz 12.

Um eine aerodynamisch günstige Luftentnahme zu erzielen, ist ein unmittelbar an der Entnahmestelle (Schlitz 12) " des Hochdruckverdichters 1 liegender äußerer Wandabschnitt 12' des Kanals 9 ein Bestandteil des betreffenden Verdichterstators.

Gemäß der Zeichnung weist der Kanal 9 eine erste, 13»

und eine zweite im Betrieb mitrotierende Beschaufelung 14 auf, von denen die erste, 13, in einem ringkrümerartigen, die Kühl luftströmung aus der radialen in die axiale Strömungsrichtung ablenkenden Teil des Kanals 9 angeordnet ist» während die zweite Beschaufelung 14 aus-

schließlich in einem die Strömung radial führenden Teil dieses Kanals 9 der betreffenden Turbinenradscheibe 10 des gemeinsamen Rotorsystems vorgeschaltet und mit dieser verbunden ist.

Wie der Zeichnung ferner entnommen werden kann, sind die jeweiligen Schaufeln der ers.ten Beschaufelung 13 an dem einen der Triebwerksachse nächstllegenden inneren Wandabschnitt 4 befestigt und mit ihren der Befestigungsstelle abgewandten oberen Enden geringfügig beabstandet gegenüber dem angrenzenden äußeren Wandabschnitt 7 des Kanals 9 angeordnet.

Die Schaufeln der zweiten Beschaufelung 14 sind überwiegend an dem turbinenseitig angrenzenden äußeren

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Wandabschnitt 8' des Kanals 9, hingegen mit ihren der Befestigungsstelle abgewandten Endkanten gegenüber der angrenzenden Turbinenradscheibe 10 zumindest teilweise axial beabstandet angeordnet.

Die für die jeweiligen Beschaufelungen 13 bzw.' 14 genannten radialen bzw. axialen Beabstandungen ' (Spalte) sind im wesentlichen vorgesehen, um u.a. TO durch unterschiedliche Temperatureinflüsse hervorgerufene unterschiedliche Ausdehnungen der betreffenden Bauteile ohne weiteres kompensieren zu können.

Die an die Turbinenscheibe 10 angrenzende und mit dieser verbundene äußere Wandabschnittspartie 8¹ des Kanals 9 weist ein in Richtung auf die Radscheibe 10 abgebogenes Endteil 16 auf, um eine örtlich gezielte, strömungsgünstige Führung der Kühlluftströmung über in der Radscheibe enthaltene Ausnehmungen 17,18,19 zu den kühlbaren Turbinenlaufschaufeln 11 zu erreichen, aus denen die verbrauchte Kühlluft u.a. über an der jeweiligen Schaufelnasenkante angeordnete Ausströmschlitze oder -bohrungen dem Gasstrom im Turbinenkanal 20 zugeführt wird. Die der zweiten turbinenseitigen Be-

schaufelung 14 zugehörige Partie des Kanals 9 weist eine sich in Richtung der Kühl luftströmung verengende und wieder erweiternde Querschnittsgebung auf, um eine ausreichend hohe Kühlmittelgeschwindigkeit für die

beabsichtigten Turbinen- bzw. Schaufel kühlzwecke zu er-30

halten.

Bei der Einrichtung wird also die Kühlluft in einer geeigneten Stufe des Hochdruckverdichters 1 - hier also

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über den Entnahmeschlitz 12 - mit einem für die Hochdruckturbinen-Laufschaufel-Kühlung ausreichenden Druck zwischen Lauf- und Leitschaufel 11 bzw. ** II¹ entnommen und radial nach innen geführt, wobei die Umfangskomponente der Strömung ab Laufradaustritt entsprechend dem Drallsatz nach innen zunimmt (angenähert durch das Gesetz des freien Winkels dar·^ stellbar), bis sich die Strömung - durch Wandreibung im Kanal 9 begünstigt - der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors angepaßt hat. Der Beginn der Beschaufelung liegt genau beim Radius Vp, an dem die Umfangskomponente der Strömung die Umfangskomponente des Rotors erreicht hat. Ab dieser Stelle führt die Beschaufelung 13 die Strömung und entzieht ihr bis zum Mindestradius V . der Strömungsführung Energie (Turbinenwirkung). Auf der turbinenseitigen Wegstrecke mit radialer Komponente wird der Kühlluft über die zweite Beschaufelung 14 die Umfangsgeschwindigkeit des Hochdruck-Rotors aufgezwungen, um Wandreibungsverluste zu minimieren und einen stoßfreien Eintritt der Kühlluft in die Hochdruckturbinenlaufschaufeln 11 zu gewährleisten.Vom Eintrittsradius V-r, der Beschaufelung 14 bis zum Austritt Vj₂ wird also der Strömung durch die Verdichterwirkung der Beschaufelung 14 Energie zugeführt.

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Claims

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Patentansprüche

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Einrichtung zur Kühlluftführung bei Gasturbinentriebwerken, insbesondere bei Gasturbinenstrahltriebwerken in Mehr-Wellen-Bauweise, wobei die Kühlluft an geeigneter Stelle des Verdichters, insbesondere des Hochdruckverdichters, entnommen und über einen Kanal zur Turbinenkühlung, vorzugsweise der Hochdruckturbine zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (9) für die Kühlluftführung Bestandteil eines gemeinsamen Ver-

^⁵ dichter-Turbinen-Rotorsystems, vorzugsweise des Hochdruckrotorsystems ist. ,
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (9) zwischen rotationssymmetrischen

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inneren (4,5,6) und äußeren Wandabschnitten (7,8,8') des gemeinsamen Rotorsystems gebildet ist.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein unmittelbar an der Entnahmestelle (12) des Verdichters (1) liegender äußerer Wandabschnitt (12¹) des Kanals (9) Bestandteil des betreffenden Verdichterstators ist.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, Z und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal (9) mindestens eine erste (13) und eine zweite im Betrieb mitrotierende Beschaufelung (14) vorgesehen ist, von denen die erste (13) in einem ringkrümerartigen, die Kühl luftströmung aus der radialen in die axiale Strömungsrichtung ablenkenden Teil des Kanals

(9) angeordnet ist, während die zweite Beschaufelung (14) ausschließlich in einem die Strömung radial führenden Teil des Kanals der betreffenden Turbinenradscheibe (10) das gemeinsamen Rotorsystems vorgeschaltet und mit dieser verbunden ist.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Schaufeln der ersten Beschaufelung (13) am der Triebwerkslängsachse nächstliegenden inneren Wandabschnitt (4) befestigt und mit ihren der Befestigungsstelle abgewandten oberen Enden geringfügig beabstandet gegenüber dem benachbarten Wandabschnitt (7) des

Kanals (9) angeordnet sind.
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6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der zweiten Beschaufelung (14) überweigend an einem äußeren Wandabschnitt (8¹) des Kanals (9) befestigt sind, während sie mit ihren der Beschaufelungsstelle abgewandten Endkanten gegenüber der angrenzenden Turbinenradscheibe (10) zumindest teilweise axial beabstandet angeordnet sind.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Turbinenradscheibe (10) angrenzende und mit dieser verbundene Wandabschnittspartie

(8^;) des Kanals (9) als Umlenkhilfe für die Führung der Kühlluftströmung über die Radscheibe (10) zu den kühlbaren Turbinenlaufschaufeln (11) ausgebildet ist.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten turbinenseitigen Beschaufelung (14) zugehörige Partie des Kanals (9) eine sich in Richtung der

Kühl luftströmung verengende und wieder erweitern-25

de Querschnittsgebung aufweist.

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