DE3116923A1

DE3116923A1 - "turbinenkuehlluft-umlenkeinrichtung"

Info

Publication number: DE3116923A1
Application number: DE19813116923
Authority: DE
Inventors: Ralph Adrian Mason Ohio Kirkpatrick; Harold Paul West Chester Ohio Rieck jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-05-01
Filing date: 1981-04-29
Publication date: 1982-04-22
Also published as: IT1168124B; GB2075123B; DE3116923C2; JPH0154524B2; GB2075123A; FR2481747B1; JPS572428A; IT8121454A0; IT8121454A1; FR2481747A1

Description

Turbinenkühlluft-Umlenkeinrichtunq

Die Erfindung betrifft Kühlluft-Strömungskanäle für Hochtemperatur-Turbinen.

Bekannte Turbinen benützen Düsen, die in Turbinendrehrichtung gerichtet sind, um die Kühlluft in Drehrichtung zu beschleunigen und so deren Eintritt in die drehende Uelle zu erleichtern. Die Düse führt die Luft durch einfache, durch die Uellenwandung gebohrte Öffnungen. Um die Turbinenschaufeln zu erreichen, muß die Luft durch diese Öffnungen in der Uelle und dann radial nach außen in die heißen Turbinenschaufeln geführt werden.

Obwohl mit dieser Verbesserung bereits ein angemessener Erfolg erzielt werden konnte, sind doch weitere Ziele angestrebt. Eine Analyse hat gezeigt, daß die Kühlluft nach dem l/erlassen der Turbinendüse eine sehr hohe Geschwindigkeit aufweist, die tatsächlich größer ist als die Drehgeschwindigkeit der Turbinenuelle. Das bedeutet, daß die Kühlluft bezüglich der Uelle eine Tangentialgeschwindigkeit aufweist. Uenn der Kühlluftstrom sich verlangsamt, um die Öffnungen in der Uelle zu passieren, tritt ein großer

Druckverlust auf. Dieser stellt ainsn nicht wiederbringbaren Energieverlust dar. Auch wenn die Luft zu einer Stelle mit geringerem Radius strömt, wie beim Durchgang unter einem Turbinenlaufrad, wird ihre Tangentialgeschwindigkeit sogar noch größer, uas mitunter sogar akustische Resonanzen hervorrufen kann. Bei bekannten Turbinen uerden flache radiale Schaufeln innerhalb der Turbinenuelle verwendet, um die restliche Tangentialgeschwindigkeit der Kühlluft zu beseitigen. Dadurch können zwar akustische Resonanzen verhindert warden, die aerodynamischen Verluste im Kühlluftstromsystsm werden jedoch damit erhöht. Diese potentiellen Probleme können v/ermieden werden, indem jegliche überschüssige Tangentialgeschwindigkeit des Kühlluftstromes beseitigt wird, bevor die Luft in die Turbinenwelle eintritt.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, einen nicht rotierenden Kühlluftstrom in einen rotierenden Teil einer Gasturbine zu führen, ohne daß dabei bedeutsame Druckverluste auftreten und wobei sich geringere Kühllufttemperaturen ergeben und die Kühlluftmaßnahmen verringert werden.

Ein andares Ziel der Erfindung ist es, Kühlluft in einen rotierenden Turbinenteil ohne überschüssige Tangentialgeschwindigkeit zu führen.

Diese und andere Ziele werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung deutlich.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind profilierte Umlenkschaufein vorgesehen, die Öffnungen in einer Turbinenußllenuand zugeordnet und dort angebracht sind. Die Schaufeln sind vorgesehen, um die Strömungsrichtung des Kühlluftstromes, der aus einer Düse in einer Richtung

tangential zur Uellenuand beschleunigt wurde,in eine neue Richtung umzulenken, die parallel zu den Mittellinien der Uallenöffnung verläuft. Die Schaufeln leiten dadurch den Kühlluftstrom in die sich drehenden Uellenöffnungen, ohne daß dabei sin wesentlicher Druckverlust auftritt und mit einer geringeren resultierenden Kühllufttemperatur.

Zusätzlich sind die Schaufeln mit Durchgängen versehen, die in Strömungsrichtung expandieren, um eine Diffusion der Kühlluft und Bine Erhöhung des statischen Drukkes zu erreichen. Der Eingangsverlust wird durch einen aerodynamisch geformten Einlaß vermindert. Dieser verringerte Eingangsverlust in Verbindung mit dem durch die Diffusion rückgegeuonnenen Druck ermöglicht die Verwendung einer Düse mit höherem Druckverhältnis, wodurch der Wirkungsgrad des Systems erhöht und die Kühlluft-Ausgangstemperatur ralativ zum Rotor vermindert uird. Die verminderte Kühllufttemperatur erlaubt eine Reduzierung des Kühlluftstromes und Uerbessert letztlich den Wirkungsgrad des Turbinenkreisprozesses.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein typisches Gasturbinen-Flugtriebwerk j

Figur 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teiles des Gasturbinen-Triebwerkes mit einem typischen bekannten Kühlluftkanalj

Figur 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines ähnlichen Teiles eines Gasturbinen-Triebwerkes wie in Figur 2, jedoch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausgestaltung der Entwirblerkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung.

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In Figur 1 ist ein Gasturbinen-Flugtriebuerk 10 dargestellt, um die Grundkomponenten und Funktionen des Triebwerkes und einige generelle Aspekte eines Kühlluftstromkanales zu beschreiben. Eine Beschreibung der Grund-Triebuerkfunktionen beginnt mit der in einen Kompressor 12 eintretenden Luft, indem sie auf einen sehr hohen Druck komprimiert wird, der eine schnelle Verbrennung im weiteren Strömungswag des Triebwerkes unterstützt. Die hochkomprimierte Luft wird durch einen Kompresaorausgang 14 in einen Brenner 16 geführt, in dem die Luft mit Brennstoff gemischt und das Gemisch gezündet wird. Das gezündete Luft/Brennstoff-Gemisch bildet heiße Verbrennungsgase, die vom Brenner· 16 in einen Turbinenteil 18 beschleunigt werden. Im Turbinenteil werden diese beschleunigten Verbrennungsgase gegen Turbinenschaufeln 2U gerichtet und drehen diese dadurch mit hoher Geschwindigkeit. Die Turbinenschaufeln 20 sind über Laufräder 22 mit siner Turbinanwelle 24 verbunden, um eine Antriebskraft auf diese zu übertragen. Die Welle 24 kann mechanisch mit einer vom Benutzer gewünschten mechanisch anzutreibenden Maschine verbunden werden» Bei einem typischen Flugzeug-Triebwerk werden die Turbinenwellen verwendet, um sowohl den Kompressor 12 als auch ein (nicht dargestelltes) Gebläse, das die Luft zur Erzeugung eines Vorwärtsschubes eines Flugzeuges beschleunigt, anzutreiben.

Bei der Ausführung dieser grundlegenden Triebusrksfunktionen ist festzustellen, daß die maximale Antriebsleistung aus den Verbrennungsgasen bei einer bestimmten, thermodynamisch beeinflußten optimalen Temperatur erreicht werden kann. Unglücklicherweise ist jedoch die errechnete beste Temperatur so hoch, daß beim Betrieb des Triebwerks in der optimalen Ueise die den heißen Verbrennungsgasen aus-

gesetzten Maschinenteils schnell zerstört würden. Daher werden gegenwärtig Gasturbinen-Triebuerke bei einer Temperatur betrieben, die etwas unterhalb dem thermodynamisch bestimmten optimalen Niveau liegen.

Bei dem Bemühen, den Triebuerksuirkungsgrad durch Zulassung des Betriebs bei höheren Temperaturen zu verbessern, wurden die Bemühungen in letzter Zeit darauf gerichtet, luftgekühlte Turbinenteile im Verbrennungsgaströmungsweg vorzusehen. Diese Bemühungen uaren sehr erfolgreich und haben den Wirkungsgrad moderner Gasturbinen-Triebuerke wesentlich verbessert. Dia Kühlluft muß jedoch von einer Hochdruckquelle, wie dem Triebuerkskompressor 12, abgeführt uerden_r und jede vom Triebuerkskompressor entnommene Luft stellt einen Verlust an für die Verbrennung zur Verfügung stehender Luft und damit einen Verlust der Maschinenausgangsleistung dar.

störenden

Bezüglich dieses/Verlustes wurden wesentliche Anstrengungen darauf gerichtet, verbesserte Verfahren zur Behandlung dieser Kühlluft zu finden, so daß weniger Luft aus dam Kompressor 12 entnommen warden muß, um die hsißan Turbinenteile zu kühlen.

Es wird nun auf Figur 2 Bezug genommen, in dar ain Teil eines bekannten Triebwerkes mit einem inter-^nan Kühlluftkanal gezeigt ist. Der Beuegungsuag der Kühlluft ist allgemein durch dicke Pfeile angedeutet. Die Kühlluft strömt vom Kompressorausgang (in Figur 2 nicht gezeigt) zu einem Abschnitt 25, der eine Uand 26 eines Varbrennungsraumes umgibtjund schließlich durch eine Turbinenwelle 24 in ei-Π8Π Laufradhohlraum 19. Dies ist ein sehr kritisches Gebiet der Kühlströmung, da die Luft dort gegen dis heiße-

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sLen Turbinenteile, einschließlich einer ersten Reihe von Turbinenschaufeln 3U, geführt wird. Die Luft muß auf einem hohen Druck gehalten werden, um in und durch die Schaufeln 2U zu strömen und der Druck muß größer sein als der Druck .der Verbrennungsgase, die die Düsen und Schaufeln umgeben. Da die Uerbrennungsgase gerade den Kompressor 12 und den

Brenner 16 verlassen haben, weisen sie noch einen bezüglich des restlichen Teiles des Triebwerkes hohen Druck auf.

In diesem kritischen Abschnitt des Kühlluftströmungsueges werden die technischen Schwierigkeiten, die beim Bewegen der Luft in diesem Abschnitt des Triebwerkes entstehen, weiter verkompliziert, da die Luft von einem nicht rotierenden Abschnitt des Triebwerkes durch die rotierende Welle 24 in den Laufradhohlraum 19 strömt. Die Luft muß schnell in Drehrichtung beschleunigt werden, wenn sie, im wesentlichen durch eine l/ielzahl von Öffnungen 32 in der Turbinenwellenwandung, in die Turbinenuelle 24 eintritt. In dam Abschnitt, in dem die nicht rotierende Luft durch die Öffnungen 32 strömt, können wesentliche Verluste und Druckänderungen auftreten.

Um diese Uerlusta zu verringern^wurde unlängst vorgeschlagen, in Kühlluftkanälan des Typs, wie er in Figur 3 dargeatellt ist, eine Düseneinrichtung 34 vorzusehen. Die Düse 34 ist dabei vorgesehen, um die Kühlluft in dar Turbinendrehrichtung zu beschleunigen. Als Ergebnis dieser Beschleunigung wird die Luft gezwungen in einer Richtung tangential zum Uellenumfang zu strömen. Wenn die Luft eine Tangentialgeschwindigkeit aufweist, dia größer als die der Welle ist, tritt ein großer Druckverlust auf, wenn die Luft durch die Uellenöffnungen strömt. Wenn die Luft

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in Richtung eines kleineren Radius strömt, wie beim Strömen unter einem Laufrad 22 einer ersten Turbinenstufe, wird ihre Tangentialgeschwindigkeit zusätzlich erhöht, iicis zu akustischen Resonanzen führen kann. Ein Beseitigen dieser übermäßigen Tangentialgsschuiindigkeit uor den UeI-lenöffnungen könnte diese Situation wesentlich verbessern und uird als Ziel der Erfindung angesehen.

Es uird nun auf Figur 3 Bezug genommen, die eine Ausgestaltung der Erfindung zeigt, weiche in dsm Abschnitt des Triebwerkes 10 angeordnet ist„ in dam die Kühlluft in die Turbinenuslle 24 eintritt. Die Erfindung ueist sine Umlenkeinrichtung (Entwirbler) 36 in dein Tail des Luftströmungsweges auf, wo die Luft in dan Kanal 24 eintritt. Die Funktion der Umlenkeinrichtung 36 ist es, die Strömungsrichtung der Kühlluft aerodynamisch 2u ändsrn und dia Luft in die Öffnungen 32 zu leiten. Dia Umlenksinrichtung reduziert zusätzlich die Drehgeschwindigkeit, so daß diese der Drehgeschwindigkeit der Turbinenwelle 24 angeglichen wird. Die Umlenkeinrichtung 36 ist direkt an der Turbinenwelle 24 angebracht und dreht sich in genau der gleichen Ueise. Dadurch wird ermöglicht, daß die Umlenkeinrichtung 36 die Drehgeschwindigkeit der Kühlluft senkt, da der Entwirbler die Luft in die Öffnungen 32 richtet.

Gemäß einem anderen Merkmal einer Ausgestaltung der Umlenkeinrichtung 36, wie aus Figur 3 ersichtlich, können die Umlenkeinrichtungsdurchgänge 38 eine Querschnittsfläche aufweisen, die worn Eingang 40 der Umlankeinr· richtung zu ihrem Ausgang 42 expandiert. Diese kontinuierlich expandierenden Durchgänge 38 wirken als Diffusor und wandeln dadurch einen Teil des Staudruckes der Luft in statischen Druck um. Dabei ist wieder zu betonen, daß

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die Kühlluft in einan Hochdruckbereich dar Turbine geleitet wird und daß es sehr wünschenswert ist, den hohen Druck der Kühlluft bei dem Punkt, uo sie in die Wellenöffnungen 32 eintritt, zu erhalten. Daher ist es bei der in Figur 3 dargestellten speziellen Ausgestaltung der Umlenkeinrichtung 36 höchst wünschenswert, die internen Durchgänge 38 zu erweitern und ihnen eine Dif f usorf unktion zu gaben.

Es wird im folgenden auf Figur 4 Bezug genommen, in der die Düse 34, die Umlenkeinrichtung 36 und die Wellenöffnungen 32 in einer Weise dargestellt sind, daß die Eichtwirkungen der Düse und der Umlenksinrichtungen auf den Kühlluftstrom einfach zu erkennen sind. Der Strömungsweg des Kühlmittels ist dabei durch Pfeile angedeutet. Im Verlaufe dieses Strömungsueges sind die Düsen 34 im wesentlichen in einer Strömungereihe mit den Eingängen 40 der Umlenkeinrichtung ausgerichtet,und die Ausgänge 42 der Umlenkeinrichtung sind in ähnlicher Weise mit den Uellenöffnungen 32 ausgerichtet. Dadurch wird eins im wesentlichen aerodynamische Strömungebahn für die Kühlluft gebildet.

Uie bereits festgestellt, muß das Kühlmedium aus einer Quelle relativ hohen Luftdruckes im Triebwerk entnommen werden. Eine ideale Stelle ist der Abschnitt 25, der die Wand des Verbrennungsraumes umgibt, die gerade stromabwärts vom Kompressorausgang liegt. Diese Luft hat einen sehr hohen Druck und da sie sich gerade stromaufwärts vom Turbinenabschnitt 18 befindet, wird die Einleitung in die Turbinenwelle 24 ermöglicht. Der erste Schritt beim Ablenken der Luft in den Turbinenabschnitt 18 ist die Beschleunigung der Luft in Drehrichtung der Turbine. Wie

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üben beschrieben," wird dies mittels der Düse 34 erreicht. Ff.. können die verschiedensten Düsen zum Beschleunigen dar Luft verwendet werden, deren Arbeitsweise dem Fachmann bekannt ist. Der Grad der Beschleunigung der Kühlluft kann durch Änderung des Düsenaufbaues variiert werden.

Nach dem Durchströmen der Düsenausgänge 44 uird die Luft in die Eingänge 4Ü dar Umlenkeinrichtung geleitet. Die Umlenkeinrichtung 36 weist eine Reihe von Umlenkschaufeln 37 auf, die die Durchgänge 38 zum Umlenken des Luftstrames aus der tangentialsn Richtung in eine bezüglich der FIi tt.ellinien der Durchgänge 32 mehr parallele Richtung bilden .

Schaufeln 37 erreichen diese Umlenkung durch Umlenken des Luftstromes radial nach innen und durch gleichzeitiges Umsetzen eines Teils der Tangentialgeschwindigkeit des Luftstromes in Drehgeschwindigkeit^ die im allgemeinen an die Drehgeschwindigkeit der Turbinenwelle 34 anaepaßt ist.

Uenn die Luft eine Tangentailgeschuindigksit aufweist, die die Drehgeschwindigkeit der Turbinenwelle wesentlich überschreitet, so wird die Luft aufgrund der Konstruktion der Umlenkeinrichtungsdurchgänge 38 zusätzlich einer Diffusoruirkung unterworfen, wodurch ein Teil das Einströmungsstaudruckes in statischen Druck umgewandelt und der Eingangsverlust an der Welle reduziert wird. Dieser verminderte Eingangsverlust und die Druckerhöhung durch die Diffusoruirkung ermöglicht ein höheres Druckverhältnis und eine höhere Beschleunigung in der Düse 34. Das höhere Druckverhältnis in der Düse 34 bewirkt eina niedrigere Temperatur am Düsenausgang 44. Die verringerte Kühltemperatur srmög-Licht eine Verminderung des Kühlstromes, wodurch der Tur-

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binenuirkungsgrad gemäß einem Hauptziel der Erfindung verbessert uird. Die Reduzierung der Kühllufttemperatur wird durch Umwandlung eines Teils der Energie der der Turbine zugeführten Luft erreicht, wodurch der Wirkungsgrad weiter erhöht uird.

Claims

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rer. not Horst Schüler PATENTANWALT

6000 Frankfurt/Main 1, 27.4.1981 Kaiserstraße 41 ^Gr · /^Vo · /^he ■

Telefon (0611)235555 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt-M.

Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

8647-13DV-7551

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

TurbinenkUhlluft-Umlenkeinrichtung

Patentansprüche

1.jGasturbinen-Triebwerk mit einem Kompressor, einem -^/ Brenner,einem um eine zentrale Triebuerksachse drehbaren Turbinenläufer, der Turbinenlaufräder und eine drehbare Welle aufweist, und mit einem Kühlluftkreislauf zum Zuführen won Kühlluft zum Läufer, wobei der Kühlluftkreislauf sine Düse zum Beschleunigen der Kühlluft in einer bezüglich der drehbaren Turbinenuella tangentialen Richtung und in Richtung der Turbinendrehung aufweist, gekennzeichnet durchs

Einrichtungen (36) zum Aufnehmen der beschleunigten Kühlluft aus der Düse (34) und zum Umlenken der Kühlluft in Öffnungen (32) in der drehbaren Turbinenwelle (24) ohne wesentliche Kühlluft-Druckverluste.

'/.. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtungen eine drehbare Umlenkeinrichtung (36) aufweisen mit Durchgängen (38) mit gekrümmten inneren Flächen zum progressiven Umlenken des Luftstromes in die Uelle (24).

:i. Uorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Durchgänge (38) Ausgänge (42) aufweisen, die bezüglich der Mittellinien der aufnehmenden Öffnungen (32) in der drehbaren Uelle (24) strömungsmäßig in Reihe angeordnet sind.

4. Uorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die gekrümmten Durchgänge (38) eine graduell· zunehmende Querschnittsfläche aufweisen, um eine Diffusoruirkung zu erzielen und dadurch einen Teil des Lufteinströmungs-Staudruckes in statischen Druck umzuwandeln.

5. Uorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Umlenkeinrichtung (36) direkt an dar Turbinenwelle (24) für eine Drehung mit dieser befestigt ist.

D. Gasturbinentriebwerk mit einem Kompressor, einer Brennkammer, einem um eine zentrale Triebwerksachse drehbaren Turbinenrotor mit damit verbundenen Turbinenlaufrädern und einer drehbaren Turbinenwelle, und mit einem Kühlluftkreislauf zum Zuführen von Kühlluft zum drehbaren Turbinenrotor, wobei der Kühlluftkreislauf

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eine Düse aufweist zum Beschleunigen der Kühlluft in

einer bezüglich der drehbaren Turbinenuelle tangentia-

len Richtung und in Richtung der Turbinendrehung,gekennzeichnet durch:

Einrichtungen (36) zum Zuführen der beschleunigten Kühlluft in den Turbinenrotor ohne wesentliche Druckverluste, mit einer Umlenkeinrichtung (36) vom Diffusor-Typ, die direkt mit der Turbinenuelle (24) für eine Drehung mit dieser verbunden ist, uobei die Umlenkeinrichtung (36) innere Schaufeln (37) aufweisen, die Durchgänge (38) mit zunehmend gekrümmten inneren Flächen bilden, uobei die Durchgänge aufweisens

(a) Eingangsabschnitte («40) zwischen den Schaufeln (37), in denen die gekrümmten inneren Oberflächen in einer strömungsmäßigen Reihe mit dem die Düse verlassenden beschleunigten Kühlluftstrom ausgerichtet sind, um die Kühlluft aerodynamisch aufzunehmen;

(b) mittlere Abschnitte mit einer fortschreitend zunahmenden Querschnittsfläche zum Verzögern des Kühlluftstromes und zur Erzielung einer Diffusoruirkung; und

(c) Aus,gangsabschnitte (42) zwischen den Schaufeln (37), in denen die gekrümmten inneren Oberflächen im wesentlichen strömungsmäßig in Reihe mit Öffnungen (32) ausgerichtet sind, die in der Turbinenuelle (24) vorgesehen sind, um die Kühlluft aerodynamisch in die Turbinenuelle (24) zu leiten.