DE3037020C2

DE3037020C2 - Gasturbinenstrahltriebwerk in Mehrwellen-Bauweise mit Verdichterhochdruckluftentnahme- und -führungseinrichtungen zur Turbinenkühlung

Info

Publication number: DE3037020C2
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: 1983-11-03
Also published as: DE3037020A1; FR2491142B1; GB2084654A; GB2084654B; FR2491142A1; JPS5781129A

Description

a) Die radial/axial gegenüber der Brennkammeraußengehäusewand eingezogenen Abschnitte (4,5,6) der Trommelwand bilden zusammen mit benachbarten äußeren Abschnitten (7, 8) des Luftkanalsystems einen gänzlich ringförmigen, konzentrischen Kanal (9) für die unmittelbare Luftentnahme stromab der Laufschaufeln (11) der letzten Verdichterstufe;

b) die der Luftentnahmestelle (12) im Kanal (9) nachgeschaltete Beschaufelung (13) ist innerhalb eines die Eümahmeluftströmung aus der radialen in die axiale Rt .htiwig ablenkenden, ringkrümmerartigen Teils des Kanals (9) angeordnet und an der inneren Trommelwand (Abschnitt 4) befestigt;

c) diese Beschaufelung (13) beginnt bei einem Kanalradius (Ve), an dem die Umfangskompo- *o nente der Entnahmeluftströmung die Umfangskomponente des Rotors erreicht hat und fungiert, unter Entzug der in der Entnahmeluftströmung enthaltenen Energie, als Turbinenbeschaufelung, die beim kleinsten Kanalradius « (Vmm) an der inneren Trommelwand endet;

d) wie an sich bekannt, weist ein die Entnahmeluftströmung radial entlang der Hochdruckturbinenlaufradscheibe (10) führender Teil des Kanals (9) eine (der Entnahmeluftströmung Ό Energie zuführende) Verdichterbeschaufelung (14) auf, deren Schaufeln an einer die äußere Trommelwand radial fortsetzenden Turbinendeckscheibe (8') befestigt sind, die am radial äußeren Ende eine gegen die Turbinenradscheibe abgebogene Umlenkhilfe für die von der schaufelfußseitigen Radscheibenpartie aus den Laufschaufeln (U) als Kühlluft zuzuführende F.ntnahmeluft ist.

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2. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß — wie an sich bekannt — ein unmittelbar an der Luftentnahmestelle (12) des Verdichters (1) liegender äußerer Wandabschnitt (12') des Kanals (9) Bestandteil des^6S betreffenden Verdichterstators ist.

3. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der inneren Trommelwand am der Triebwerkslängsachse nächstliegenden Abschnitt (4) befestigte Beschaufelung (13) mit ihren von der Befestigungsstelle abgewandten äußeren Schaufelenden geringfügig beabstandet gegenüber dem angrenzenden äußeren Wandabschnitt (7) des Kanals (9) angeordnet ist

4. Gasturbinenstrahltriebwerk nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterbeschaufelung (14) überwiegend an der Turbinendeckscheibe (S") befestigt, hingegen mit ihren deckscheibenseitig abgewandten Endkanten gegenüber der angrenzenden Turbinenradscheibe (10) zumindest teilweise axial beabstandet angeordnet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinenstrahltriebwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Gasturbinenstrahltriebwerk ist aus der DE-OS 28 31 801 bekannt

Bei diesem bekannten Triebwerk wird ein Teil der zur Kühlung der Hochdruckturbine zu verwendenden Kühlluft aus einer Zwischenstufe des Hochdruckverdichters entnommen und auf verhältnismäßig großer radialer, bzw. zunächst senkrecht gegen die Triebwerksachse gerichteter Wegstrecke über einen Satz verdichterlaufradseitig integrierter Radialgebläsekanäie einem mit der Hochdruckturbinenwelle mitrotierenden, achsparallel angeordneten Umlenkkanal zugeführt Aus den Radialgebläsekanälen wird also die abgezapfte Verdichterluft entgegen der Hauptströmung im Triebwerk um 90° nach vorn in den Umlenkkanal abgelenkt wobei diese Zapfluft dann über eine weitere öffnung aus diesem Umlenkkanal unter weiterer radialer und axialer Umlenkung einen ebenfalls mit dem Hochdruckwellensystem mitrotierenden Wärmetauscher zugeführt werden soll, mit dem eic Teil »ier in der Zapfluft enthaltenen Wärme an das verhältnismäßig kühle Sch miermittel abgeführt werden soll. Ober die zuvor schon genannte weitere Öffnung strömt hierzu also die abgezapfte Kühlluft in einen Ringkanal des Wärmetauschers, in weichen in Umfangsrichtung gleichförmig beabstandete Streben hineinragen. Diese Streben sind ihrerseits von einzelnen Längskanälen für das zuzuführende Schmiermittel durchzogen. Aus dem betreffenden Wärmetauscher kann dann die entsprechend heruntergekühlte Zapfluft in einen weiteren Kanal abströmen, über welchen die Kühlluft nach abermaliger 90° -Umlenkung der Hochdruckturbinenradscheibe zuführbar ist. Auf dem Wege von einer Entnahmestelle im Verdichter bis zur Hochdruckturbinenradscheibe wird hier also die abgezapfte Kühlluft im wesentlichen 5mai um je 90" abgelenkt.

Bei diesem bekannten Triebwerk ist es also nicht möglich, die abzuzapfende Verdichterluft — unter Bereitstellung eines verlangten stets verhältnismäßig hohen Druckniveaus, insbesondere für die Hochdruckturbinenlaufschaufelkühlung — (ζ. Β. Hochdruckkühlluftausblasung aus den betreffenden Schaufelmänteln entgegen dem Hauptstrom) — auf radial/axial verhältnismäßig kurzer Wegstrecke möglichst verlustarm von der Entnahmestelle des Hochdruckverdichters zur Hochdruckturbine bzw. deren Laufschaufeln zu führen. Im vorliegenden bekannten Fall ist kein Weg aufgezeigt, der die als Folge der verhältnismäßig weit radial von außen nach innen (Wärmetauscher) bzw. von innen nach

außen (Turbinenlaufschaufeln) geführten KühUuftströmung auftretenden, zonalen Rotor- und KühDuftgeschwindigkeitsdifferenzen, und die damit einhergehenden Gasreibungsverluste in geeigneter Weise berücksichtigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgetragenen Nachteile zu beseitigen und ein Gasturbinenstrahltriebwerk nach der eingangs genannten Art zu srhaffen, bei dem der zur Hochdruckturbinenkühlung verwendete Hochdruckverdichterentnahmelufistrom ohne nennenswerten Leistungsentzug aus dem aero-thennodynamischen Kreisprozeß des Triebwerks weitestgehend verlustarm unter Bereitstellung eines verhältnismäßig hohen Kühlluftdruckniveaus geführt werden kann.

Die Lösung der gestellten AKfgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1.

Auf diese Weise ist eine kürzest mögliche Führung der Hochdruckverdichterentnahmeluft an der Außenseite der Hochdruck- bzw. Yerdkhtertromme! für die Hochdruckturbinenkühlung möglich. Es ist dabe· insbesondere unter Zugrundelegung von Brennkammern, deren mittlerer Durchmesser in Strömungsrichtung radial nach außen wächst, eine nahezu geradlinige Kühlluftführung möglich. Dabei wird vorteilhafterweise gegenüber Bekannten eine zwei- bzw. mehrmalige Passage der Kühlluft durch die das Drehmoment übertragende Trommel verhindert, einhergehend mit minimalen radialen Wegen für die Kühlluft bei gleichzeitig minimalsten Druckverlusten.

Im Rahmen des Erfindungsgegenstandes erfüllt die entsprechend ausgebildete Verdichtertrommel ferner eine dreifache Funktion: Drehmomentübertragung, Kühlluftführung und Isolierschichtträger(Luft).

Aufgrund der angegebenen Lösung wird die Drallkomponente der Hochdruckzapfluft hinter den Laufschaufeln der letzten Verdichterstufe ausgenutzt und somit in Druck umgewandelt Auf dem Weg radial nach innen erreicht d'i Umfangskomponente der Luft nach dem Gesetz des freien Wirbels in Höhe der beginnenden Beschaufelung 13 (Radius Ve) die Umfangsgeschwindigkeit des Kanals und behält diese auf dem weiteren Wege nach innen durch die Beschaufelung bei. Neben einer gleichzeitig aerodynamisch günstigen Führung der Entnahmeluftströmung erziehen also die Schaufeln t3 über deren gesamte Schaufellänge bis zum Radius Vmin der Strömung Energie (Turbinenwirkurg).

Ferner schirmt die die Kühlluft führende Hohlwelle im Rahmen der Gestaltung und Anordnung des betreffenden Kanals für die Entnahme- bzw. Kühlluft die weiter radial innen liegenden Kanäle gegenüber der Wärmeabstrahlung aus der Brennkammer ab. Es ist somit ein stufenweiser Temperaturabbau radial nach innen realisierbar.

Vorteilhafterweise wäre dabei ein Ersatz der Brennkammeraußengehäusewand durch die den Kanal für die Entnahme- bzw. Kühlluftführung bildende Doppelwandstruktur konstruktiv durchaus vorstellbar, was u. a. zu einer Vergleichmäßigung des Umfangstemperaturprofils führen würde.

In Verbindung mit der angegebenen Entnahmeluftkanalanordnung und -ausbildung nebst Turbinenwirkung der der Luftentnahmeöffnung nachgeschalteten Beschaufelung wirkt sich die turbinendeckscheibenseitig in den Entnahmeluftkanal integrierte Verdichterbeschaufelung vorteilhaft hinsichtlic! der der Entnahmeluftströmung zugeführten Energie und des stoßfreien Kühllufteintritts in die Turbinenlaufschaufeln aus. Das hierzu angegebene Merkmal d) im KennzeichnungsteQ des Patentanspruchs 1 ist lediglich als für sich bekannt einem Gasturbinenstrahltriebwerk aus der DE-OS 22 61 433 entnehmbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus Patentansprüchen 2,3 und 4.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise

to anhand eines Axialschnitts eines Teils des Gaserzeugers nebst zugehörigem Hochdruckrotorsystem eines in Mehrwellen-Bauweise ausgeführten Gasturbinenstrahltriebwerks erläutert.
Der in der Zeichnung dargestellte Gaserzeuger des

ft Gasturbinenstrahltriebwerks besteht im wesentlichen aus einem als Axialverdichter ausgebildeten, mehrstufigen Hochdruckverdichter 1, einer Ringbrennkammer 2 sowie einer als Axialturbine ausgebildeten, einstufigen Hochdruck- bzw. Verdichterantriebsturbine 3. Der Hochdruckverdichter 1 und die Hochr'-uckturbine 3 (Turbinenradscheibe !0) sind über einem gemeinsamen Rotor gekoppelt, der eine trommeiförmige Bewandung aufweist die aus gegenüber der benachbarten Brennkammeraußengehäusewand axial/radial eingezogenen Wandabschnitten besteht von denen die inneren in der Zeichnung — von links nach rechts — mit 4,5 und 6 und die äußeren Wandabschnitte in der Zeicnnung — von links nach rechts — mit 7 und 8 bezeichnet sind.

Eine im wesentlichen zwischen tier genannten

inneren 4, 5 und 6 sowie äußeren Wandabschnitten 7 und 8 gebildeter, gänzlich ringförmiger, konzentrischer Kanal 9 für die Kühlluftentnahme und -führung zur Turbinenradscheibe 10 sowie deren Turbinenlaufschaufeln II ist somit Bestandteil des Hochdruckrotorsystems. Auf diese Weise ergibt sich eine im Betrieb mitrotierende Luftentnahme und Kühlluftführung im Hochdruckrotor.

Die aus den genannten Wandabschnitten zusammengesetzten Partien des Kanals 9 sind durch in

*o Umfangsrichtung gegenüber den jeweiligen Verbindungssr-llen A. B versetzte Umfangsschlitze oder dergleichen miteinander verbunden.

Wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich, erfolgt die Verdichter- bzw. Kühlluftentnahme an der letzter. Stufe des Hochdruckverdichters 1. genauer ausgedrückt, über eine hinter den Laufschaufeln 11 der letzten Verdichterstufe, zwischen der äußeren Radscheibenstirnkante und einer unteren eintrittskantenseitigen Partie des betreffenden Verdichterstators der letzten Verdichterstufe liegende, koaxial zur Triebwerksachse verlaufende, schlitzförmige LuftentFiahmestelle 12.

Um eine aerodynamisch günstige Luftentnahme zu erzielen, is· ein unmittelbar an der Entnahmestelle des Hochdruckverdichters 1 liegender äußerer Wandabschnitt 12' des Kanals 9 ein Bestandteil des betreffenden Verdichterstators.

Gemäß der Zeichnung weist der Kanal 9 eine der Luftentnahmestelle 12 nachgeschaltete Beschaufelung 13 (Turbinenwirkung* und eine weitere im Betrieb mitrotierende Verdichterbeschaufelung 14 auf, wobei die Beschaufelung 13 in einem ringkrümmerartigen. die Entnahmeluftströmung aus der radialen in die axiale Strömungsrichtung ablenkenden Teil des Kanals 9 angeordnet und an der inneren Trommelwand (Abschnitt 4) befestigt ist, während die Verdichterbeschaufelung 14 in einem die Entnahmeluftströmung radial führenden Teil dieses Kanals 9 der betreffenden Hochdruckturbinenlaufradscheibe 10 des gemeinsamen

Rotorsystems vorgeschaltet und teilweise von dieser gebildet ist.

Wie der Zeichnung ferner entnommen werden kann, ist die Beschaufelung 13 an der inneren Trommelwand, am der Triebwerksachse nächstliegenden Wandabschnitt 4 befestigt und mit ihren von der Befestigungsstelle abgewandten äußeren Schaufelenden geringfügig beabstandet gegenüber dem angrenzenden äußeren Wandabschnitt 7 des Kanals 9 angeordnet.

Die Verdichterbeschaufelung 14 ist überwiegend an einer Turbinendeckscheibe 8' befestigt, hingegen mit ihren von der deckscheibenseitigen Befestigungsstelle abgewandten Endkanten gegenüber der angrenzenden Turbinenlaufradscheibe 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. durch unterschiedliche Temperatureinflüsse hervorgerufene unterschiedliche Ausdehnungen der betreffenden Bau- jo teile ohne weiteres Kompensieren zu können.

Die an die Turbinenlaufradscheibe 10 angesetzte und mit dieser verbundene äußere Turbinendeckscheibe 8' schließt in Form einer radialen Trommelwandfortsetzung sowie zusammen mit benachbarten Partien des Turbinenlaufrads 10 den die Entnahmeluftströmung in die Laufschaufeln 11 führenden Teil des Kanals 9 ein und weist ferner ein in Richtung auf die Turbinenlaufradscheibe 10 abgebogenes Endteil 16 auf, um eine örtlich gezielte, strömungsgünstige Führung der Entnähme- bzw. Kühlluftströmung über schaufelfußseitige Durchtrittspassagen 17,18,19 in die 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.

Es wird also die Kühlluft in einer geeigneten Stufe des Hochdruckverdichlers I — hier also über die Entnahmestelle 12 — mit einem für die Hochdruckturbinen-Laufschaufel-Kühlung ausreichenden Druck zwischen Lauf- und Leitschaufel H bzw. II' entnommen und radial nach innen geführt, wobei also die Drallkomponente der Hochdruckluft hinter den Laufschaufeln 11 der letzten Verdichterstufe ausgenutzt und in Druck umgewandelt wird. Dabei erreicht die Umfangskomponente der Entnahmeluftströmung auf ihrem Wege radial nach innen nach dem Gesetz des »freien Wirbels« in Höhe des Eintritts der Beschaufelung (Radius Ve) die Umfangsgeschwindigkeit des Kanals 9 bzw. Rotors und behält diese auf dem weiteren Weg nach innen durch die Beschaufelung 13 bei. Ab dieser Stelle (Radius Ve) führt die Beschaufelune 13 also die Strömune und entzieht ihr bis zum Mindestradius K_m,„ der Strömungsführung Energie (Turbinenwirkung). Auf der turbinenseitigen Wegstrecke mit radialer Komponente wird der Entnahme- bzw. Kühlluft über die Verdichterbeschaufelung 14 die Umfangsgeschwindigkeit des Hochdruck-Rotors aufgezwungen, um Wandreibungsverluste zu minimieren und einen stoßfreien Eintritt der Kühlluft in die Hochdruckturbinenlaufschaufeln 11 zu gewährleisten. V«m Eintrittsradius Vr/ der Verdichterbeschaufelung W bis zum Austrittsradius V_T2 wird also der Entnahmeluftströmung durch die Verdichterwirkung der Beschaufelung 14 Energie zugeführt, um das vergleichsweise hohe Kühlluftdruckniveau bereitstellen zu können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Gasturbinenstrahltriebwerk in Mehrwellen-Bauweise, dessen Gaserzeuger der Reihe nach aus einem Hochdruck-Axialverdichter, einer Ringbrennkammer und einer Verdichterantriebsturbine besteht, die mit dem Hochdruckverdichter über einen gemeinsamen Rotor gekoppelt ist, der eine aus das Verdichterende mit dem Hochdruckturbinenlaufrad verbindenden, gegenüber der benachbarten Brennkammeraußengehäusewand radial/axial eingezogenen Abschnitten zusammengesetzte trommeiförmige Bewandung aufweist, wobei ein mit dem gemeinsamen Rotor umlaufend gekoppeltes Luftkanalsystem vorgesehen ist, mit dem aus einer ts Verdichterstufe entnommene Hochdruckluft der Hochdruckturbine bzw. deren Beschaufelung zur Kühlung zuführbar ist, und wobei ferner dem Luftkanalsystem eine der Luftentnahmestelle nachgeschaltcl? Beschaufelung für die Hochdruckluft zugeordnet ist. gekennzeichnet durch folgende Merkmale: