DE3447740C2 - Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und betrifft insbesondere eine Vorrich­ tung, mit welcher es möglich ist, ein Strömungsmedium mit hoher Temperatur und hohem Druck durch einen Hohlraum im Inneren der Anlage zu führen, wobei der Hohlraum eine Lagerkammer enthält. Die vorliegende Erfindung ist für axial durchströmte Gasturbinen­ anlagen entwickelt worden, kann aber auch auf anderen Gebieten angewandt werden.

Eine axial durchströmte Gasturbinenanlage weist einen Verdichter­ teil, einen Brennerteil und einen Turbinenteil auf. Ein Strö­ mungskanal für die Arbeitsgase erstreckt sich axial durch die Teile der Gasturbinenanlage. Wenn die Gase längs des Strömungs­ kanals fließen, werden die Gase im Verdichterteil verdichtet und im Brennerteil mit Brennstoff verbrannt, um den Gasen Energie zuzuführen. Die heißen Druckgase werden im Turbinen­ teil entspannt, um Nutzarbeit und Schub zu erzeugen.

Ein Läufer im Turbinenteil hat eine Läuferanordnung, um aus den heißen Druckgasen Nutzarbeit gewinnen zu können. Die Läuferanordnung weist mindestens eine zweistufige Laufschau­ felanordnung auf. Der Läufer hat eine Läuferwelle, welche die­ se Stufen mit einer anderen Läuferanordnung im Verdichterteil verbindet, um dem Verdichterteil Energie zum Verdichten der Arbeitsgase zuzuführen. Ein Stator oder ortsfestes Gehäuse er­ streckt sich in axialer Richtung über die Gasturbinenanlage, um den Läufer zu umgeben und den Läufer über ein Lager ab­ zustützen, das gewöhnlich in einer Lagerkammer angeordnet ist. Die Lagerkammer ist in einem inneren Hohlraum der Gasturbinen­ anlage angeordnet.

Da die Arbeitstemperaturen und Arbeitsdrücke der Anlage bei modernen Triebwerken zugenommen haben, ist es notwendig ge­ worden, unter Druck stehende Kühlluft den Läuferstufen einer Turbine zuzuführen, die sehr nahe am Austrittsbereich des Bren­ nerteils liegen.

Ein günstiger Strömungskanal für die Zufuhr von Kühlluft zur zweiten Läuferanordnung führt durch den inneren Hohlraum, welcher die Lagerkammer enthält. Kühlluft, deren Druck für eine Verwendung im Turbinenteil hoch genug ist, wird von einer hinteren Stufe des Verdichters abgezogen. Die Temperatur der Luft ist gering im Vergleich zum Turbinenteil, was gut für die Kühlung ist. Die Temperatur der Luft ist jedoch hoch im Vergleich zum Innenraum der Lagerkammer. Da der für den Turbinenteil erforderliche Druck hoch ist, hat diese "Kühl­ luft" in der Lagerkammer Schwierigkeiten verursacht. Die heiße Luft erzwingt ihren Weg hinter die Dichtungen in der Lagerkam­ mer. Der Leckstrom der heißen Druckgase hinter die Dichtungen in die Lagerkammer ist oft mit ernsten, thermischen Nöten verbunden, die von kleinen Taschen oder Nestern mit einer Selbstzündung in der Nähe des Dichtungsbereiches herrühren. Wie sich herausstellt,kann die Schwierigkeit ernster thermi­ scher Nöte bei bestehenden Lagerkammern dadurch vermieden wer­ den, daß die Lagerkammern auf einen sehr niedrigen Druck ent­ lüftet werden. Das Entlüften ist jedoch nicht mehr durchführ­ bar, da die bekannten Dichteinrichtungen in der Lagerkammer nicht in der Lage sind, ihre Unversehrtheit angesichts eines großen Druckunterschieds aufrecht zu erhalten, der bei den gegenwärtigen Triebwerken vorhanden sein muß, um dem Turbinen­ teil Kühlluft mit dem richtigen Druck zuführen zu können. Ein Kühlen der gesamten Luft, die durch den inneren Luftraum fließt, könnte dieses Problem unter der Voraussetzung lösen, daß der Druck auf geeigneten Werten gehalten wird. Dies ist jedoch aufgrund des großen Nachteils nicht möglich, welcher mit dem Kühlen dieser Luft im Hinblick auf schmarotzerhafte Antriebskraft und nicht verfügbarer Energie verbunden ist.

Die Wissenschafter und Ingenieure sind daher auf der Suche nach Verfahren, mit welchen heiße Druckluft einer Läufer­ anordnung über den inneren Hohlraum in einer Weise und mit einem Aufbau zugeführt werden kann, welcher ernste, thermi­ sche Nöte in der Nähe der Tagerkammern vermeidet.

Die US-A-3,528,241 zeigt in Fig. 2 ein Bläsertriebwerk, bei dem eine Lagerkammer vorgesehen ist, in der eine Sprühdüse für ein Lager angeordnet ist. Die Lagerkammer ist mittels einer Dichtung abgedichtet. Das Lagergehäuse ist von einer Ringkammer umgeben, über die unter Druck stehende Kühlluft in dem Bereich der Dichtung zugeführt wird.

Die GB-PS 1 095 129 zeigt ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei dem bekannten Bläsertriebwerk ist in einem ringförmigen Strömungskanal für ein Arbeitsgas in Strömungsrichtung des Arbeitsgases ein Niederdruck-Verdichter, ein Hochdruck-Verdichter, ein Brennerteil und ein Turbinenteil angeordnet. Das Triebwerk besitzt eine Läuferanordnung, die eine innenliegende Läuferwelle für den Niederdruck-Verdichter und eine koaxial hierzu angeordnete, außenliegende Läuferwelle für den Hochdruck-Verdichter aufweist. Lager für die Läuferwellen sind in einer Lagerkammer angeordnet, die zwischen dem Niederdruck-Verdichter und dem Hochdruck-Verdichter angeordnet ist. Die Lagerkammer ist über Dichtungen abgedichtet, die den Austritt von Schmiermittel aus der Lagerkammer verhindern sollen. Die Dichtungen sind jeweils als Labyrinthdichtungen ausgebildet. Die in der Lagerkammer angeordneten Lager werden mit Öl geschmiert, das über Leitungen zugeführt und aus der Lagerkammer abgepumpt wird. Die Lagerkammer ist von einem Ringraum umgeben, dem unter Druck stehendes Kühlgas zugeführt wird. Das Kühlgas wird im Bereich des Hochdruck-Verdichters aus dem Strömungskanal entnommen und zur Kühlung über einen Wärmetauscher geführt. Über eine Rohrleitung wird das Kühlgas in den Bereich des Ringraums geführt. Das unter Druck stehende Kühlgas verhindert ein Austreten und ein Entzünden des Schmiermittels im Bereich der Dichtungen der Lagerkammer.

Bei dem bekannten Turbinentriebwerk sind relativ große Kühlgas­ mengen erforderlich, die den relativ großvolumigen Ringraum um die Lagerkammer zugeführt und gekühlt werden müssen. Hierdurch wird einerseits der Turbinenwirkungsgrad reduziert und anderer­ seits ist ein relativ großer Wärmetauscher zur Kühlung der relativ großen Kühlvolumenströme erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Austreten von Schmiermittel aus der Lagerkammer und dessen Entzünden zu verhindern, wobei der Turbinenwirkungsgrad nur unwesentlich beeinträchtigt wird, weil nur geringe Kühlgasmengen erforderlich sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.

Bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerk sind im Bereich der Dichtungseinrichtungen zur Abdichtung der Lagerkammer ringförmige Pufferräume vorgesehen, über die Pufferluft an die Dichtungseinrichtungen geleitet wird. Die Pufferräume sind jeweils als Ringspalte ausgebildet, die sich in Axialrichtung des Triebwerks erstrecken. Durch diese Ausgestaltung der Pufferräume ist nur eine relativ geringe Gasmenge erforderlich, um die Dichtungseinrichtungen in der gewünschten Weise zu beaufschlagen. Hierdurch wird einerseits der Turbinenwirkungsgrad des Triebwerks nur unwesentlich beeinflußt und andererseits sind nur relativ kleine Kühlgasmengen erforderlich. Hierdurch können die erforder­ lichen Kühleinrichtungen klein gehalten werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerk ist die Lagerkam­ mer in einem inneren, ringförmigen Hohlraum angeordnet, in den ein Teilstrom des Triebwerkgases aus dem Triebwerksströmungskanal einströmt. Durch das Vorsehen der Pufferräume im Bereich der Dichtungseinrichtungen wird eine derartige Anordnung ermöglicht, da die den Pufferräumen zugeführte Turbinenkühlluft eine geringere Temperatur als das Gas aufweist, das sich in dem inneren Hohlraum befindet. Darüberhinaus weist die Turbinenkühl­ luft in den Pufferräumen auch einen höheren statischen Druck als das in dem inneren, ringförmigen Hohlraum vorliegende Gas auf.

Auf ihrem Weg von ihrer Entnahmestelle in einer Hochdruckver­ dichterstufe des Triebwerks sind Kühleinrichtungen für die Turbinenkühlluft vorgesehen, die deren Abkühlung auf die gewünschte Temperatur bewirken.

Die Einstellung der Temperatur der Turbinenkühlluft in den Pufferräumen erfolgt derart, daß eine Selbstzündung bei einem Austritt von Schmiermittel verhindert wird.

Die erfindungsgemäßen Pufferräume ermöglichen auch eine präzise Einstellung der Druck- und Temperaturverhältnisse im Bereich der Dichtungseinrichtungen.

Die vorstehenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der besten Möglichkeit zur Verwirklichung der Erfindung näher hervor. Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht auf ein Zweikreis-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (ZTL-Triebwerk), wobei bestimmte innere Teile des Triebwerks mit ge­ strichelten Linien und die Strömungskanäle mit Pfeilen dargestellt sind,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Abschnitt des Ver­ dichterteils, des Brennerteils und des Turbinen­ teils des Triebwerks mit der Darstellung einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung und einer zweiten Ausführungsform mit gestrichelten Linien,

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils des in Fig. 2 gezeigten Triebwerks mit der Darstel­ lung einer dritten Ausführungsform,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Abwandlungsform des in Fig. 2 mit gestrichelten Linien gezeigten Auf­ baus,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Zeit für die Zünd­ verzögerung (Zeitcharakteristik der Selbst­ zündung) über der Temperatur des Öl/Luftgemisches als eine Funktion von einigen verschiedenen Drücken.

Die Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Zweikreis-Turbinen-Luft­ strahltriebwerks 10 (ZTL-Triebwerk), das auch als Bläser­ triebwerk (Turbofan) bezeichnet wird. Das Triebwerk weist eine Drehachse A_r auf. Das Triebwerk besitzt einen Bläserteil 12, einen Verdichterteil 14, einen Brennerteil 16 und einen Turbinenteil 18. Ein ringförmiger Strömungskanal 22 für das primäre, gasförmige Arbeitsmedium erstreckt sich axial durch diese Teile des Triebwerks. Ein ringförmiger Strömungskanal 24 für das sekundäre, gasförmige Arbeitsmedium liegt radial außerhalb des primären Strömungskanals für das Arbeitsgas.

Der sekundäre Strömungskanal 24 erstreckt sich axial durch den Bläserteil des Triebwerks.

Wie aus der Darstellung mit den gestrichelten Linien hervorgeht, erstreckt sich eine Stator- oder Gehäuseanordnung 26 axial über das Triebwerk, um die Strömungskanäle für die Arbeits­ medien zu begrenzen und die drehenden Teile, wie die Läufer­ anordnung 28 abzustützen. Die Läuferanordnung begrenzt den Strömungskanal 22 des Arbeitsmediums und erstreckt sich axial durch den Verdichterteil und den Turbinenteil des Triebwerks. Die Läuferanordnung hat Läuferstufen mit Laufschaufeln, die sich radial nach außen quer über den Strömungskanal des Ar­ beitsmediums erstrecken, wie dies durch die hinterste Lauf­ schaufel 30 im Verdichterteil und durch die Laufschaufeln 32 und 34 der ersten und zweiten Stufe im Turbinenteil dargestellt ist.

Eine axial verlaufende Läuferwelle 36 verbindet die hinterste Läuferstufe im Verdichterteil mit den ersten beiden Stufen im Turbinenteil. Ein nicht dargestelltes Lager ist zwischen der Statoranordnung und der Läuferwelle vorgesehen, um die Welle abzustützen. Ein Lagergehäuse 38 erstreckt sich längs des Umfanges um die Läuferwelle, um das Lager in einer Lagerkammer 40 unterzubringen. Ein ringförmiger Hohlraum 42 außerhalb der Läuferwelle schafft den Raum, um die Lagerkammer unterzubrin­ gen.

Ein Strömungskanal 44 für Kühlluft für die zweite Läuferstufe 34 des Turbinenteils verläuft axial durch den ringförmigen Hohl­ raum 42. Ein Kühlsystem 46, welches die Lagerkammer mit Druck­ luft versorgt, weist einen Wärmetauscher 48 auf, der im Bläserteil des Triebwerks angeordnet ist. Eine erste Leitung 52 für heiße Druckluft führt von einer hinteren Stufe des Hochdruckverdichters zum Wärmetauscher. Eine zweite Leitung 54 für kalte Druckluft führt vom Wärmetauscher zur Lagerkammer 40. Ein Teil der Leitung 54 im Bereich der Lagerkammer 40 ist aus Gründen der Klarheit weggebrochen.

Die Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Abschnitts des Verdichterteils 14, des Brennerteils 16 und des Turbinen­ teils 18. Die erste Leitung 52 und die zweite Leitung 54 sind aus Gründen der Klarheit weggebrochen.

Die Statoranordnung 26 weist ein Außengehäuse 56 auf, das rings um die Drehachse A_r verläuft. Ein inneres Diffusorgehäuse 58 erstreckt sich vom Außengehäuse radial nach innen. Das innere Diffusorgehäuse unterteilt den Innenraum des Triebwerks in den inneren, ringförmigen Hohlraum 42 und einen äußeren ring­ förmigen Hohlraum 62. Eine ringförmige Brennkammer 64 erstreckt sich rings um den Umfang, um eine Brennzone für den Brennstoff im äußeren Hohlraum 62 zu begrenzen. Der primäre Strömungskanal 22 für die heißen Arbeitsgase erstreckt sich von der hintersten Laufradstufe 28 des Verdichters 14 nach hinten durch die Brenn­ kammer und von dort zum Hochdruckteil der Turbine. Im Turbinen­ teil geht der Strömungskanal durch die erste Laufradstufe 32 und die nicht dargestellte zweite Laufradstufe 34 hindurch.

Eine ringförmige Stützstrebe 66 verläuft vom inneren Diffusor­ gehäuse radial nach innen quer über den inneren, ringförmigen Hohlraum 42 und den Strömungskanal 44 für die Kühlluft. Ein Lager 68 ist in der Lagerkammer zwischen der Stützstrebe und der Läuferwelle 36 angeordnet. Das Lagergehäuse 38 erstreckt sich längs des Umfanges rings um das Lager, um das Lager zu schützen und Schmiermittel zurückzuhalten, die auf das Lager in der Lagerkammer gespritzt werden. Das Lagergehäuse 38 weist ein Gehäuse 70 auf, das längs des Umfanges um das Lager verläuft. Ein erster Schutzschirm 72 und ein zweiter Schutz­ schirm 74 sind vom Gehäuse 70 in axialem Abstand angeordnet und lassen einen ersten ringförmigen Verteilerraum 76 und einen zweiten ringförmigen Verteilerraum 78 dazwischen frei. Ein Hitzeschirm 82 und ein Hitzeschirm 84 sind von den ersten und zweiten Schutzschirmen 72 und 74 in axialem Abstand angeordnet, um einen toten Luftraum dazwischen freizulassen.

Die ersten und zweiten ringförmigen Verteilerräume 76 und 78 weisen Öffnungen 86 und 88 auf, um kalte Druckluft aus der Leitung 54 zu empfangen. Die Leitung 54 mündet in ein erstes Rohr 92 und ein zweites Rohr 94, die mit den Öffnungen 86 und 88 in Strömungsverbindung stehen.

Eine andere Ausführungsform 96 ist in Fig. 2 mit gestrichelten Linien dargestellt und anhand von Fig. 4 näher erläutert. Diese Abwandlungsform weist eine Leitung 54 nicht auf, um kalte Druckluft in die Lagerkammer zu bringen. Die Läuferwelle 36 hat anstelle dafür eine radial verlaufende Fläche 98, welche den inneren, ringförmigen Hohlraum 42 begrenzt. Die Drehung der Läuferwelle 36 um die Drehachse mit einer Drehzahl über 9000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt die Luft im ringförmigen Hohlraum 42 auf Geschwindigkeiten, die über 30,5 m/sec. (100 Fuß pro Sekunde) liegen. Das Strömungsmuster 100 der Arbeits­ gase im ringförmigen Hohlraum 42 erzeugt einen Bereich mit hohem Druck P+ und einen Bereich mit niedrigem Druck P-.

Die Fig. 3 zeigt eine Abwandlungsform des Lagergehäuses. Diese Ausführungsform weist ein Lagergehäuse auf, das eine Vielzahl von Rohren 108 hat, die mit der zweiten Leitung 54 in Strömungs­ verbindung stehen. Jedes Rohr 108 ist mit dem ersten, ring­ förmigen Verteilerraum 76 und dem zweiten, ringförmigen Ver­ teilerraum 78 verbunden. Eine Prallplatte 112 verläuft längs des Umfanges im ersten, ringförmigen Verteilerraum 76. Die Prallplatte hat ein erstes Ende 114, das gegen den ersten Schutzschirm 72 gedrückt ist. Die Prallplatte 112 hat ferner ein zweites Ende 116 in der Nähe des Rohres 108. Örtliche Abstandsvorsprünge 118 halten die Prallplatte in Abstand vom Schutzschirm 72 und lassen einen Zuführbereich 122 dazwischen frei. Der Zuführbereich steht am zweiten Ende mit der Vielzahl der Rohre 108 für die kalte Druckluft in Strömungsverbindung. Die Abstandsvorsprünge 118 halten die Prallplatte auch in Ab­ stand vom ringförmigen Schutzschirm 74 und lassen einen Prall­ bereich 124 dazwischen frei. Eine Vielzahl von Löchern 126 führt durch die Prallplatte, um den Zuführbereich mit dem Prallbereich in Strömungsverbindung zu bringen. Eine zweite Prallplatte 112 kann im zweiten, ringförmigen Verteilerraum 78 angeordnet sein. Die gleichen Bezugszahlen beziehen sich auf Teile der zweiten Prallplatte, welche die gleichen Eigen­ schaften der Teile der ersten Prallplatte haben.

Das Lagergehäuse hat ein erstes Ende 128 und ein zweites Ende 130. Eine erste Dichtungseinrichtung 131 ist am ersten Ende 128 und eine zweite Dichtungseinrichtung 132 ist am zweiten Ende 130 angeordnet. Das Lagergehäuse ist am ersten Ende in radialem Abstand von der Läuferanordnung angeordnet, so daß ein erster, ringförmiger Pufferraum 133 in der Nähe der ersten Dichtungseinrichtung dazwischen frei bleibt. Das Lagergehäuse ist auch am zweiten Ende in radialem Abstand von der Läufer­ anordnung angeordnet, so daß ein zweiter, ringförmiger Puffer­ raum 134 in der Nähe der zweiten Dichtungseinrichtung 132 dazwischen frei bleibt. Jeder Pufferraum steht mit der Leitung 54 über einen zugeordneten Verteilerraum und eine Vielzahl von Löchern 135 in Strömungsverbindung, die längs des Umfanges im Gehäuse in Abstand angeordnet sind. Die Leitung 54 kann auch entsprechend der Darstellung mit gestrichelten Linien die Kühlluft direkt zu den Pufferräumen über eine Vielzahl von Rohren 108′ bringen.

Bei der dargestellten Ausführungsform begrenzt die erste Dich­ tungseinrichtung 131 einen Teil des ersten Pufferraumes, wäh­ rend die zweite Dichtungseinrichtung 132 einen Teil des zweiten Pufferraumes begrenzt.

Jede Dichtungseinrichtung weist einen Stützteil 136 und einen Dichtungsring 138 aus Kohlenstoff auf, der mit einer nicht dargestellten Feder gegen ein benachbartes Läuferteil, wie die Dichtplatte 142 gedrückt wird. Ein Dichtelement 144 erstreckt sich rings um die Läuferwelle 36 und ist an der Läuferwelle 36 befestigt. Das Dichtelement 144 weist eine um den Umfang verlaufende Messerschneide 146 auf, die vom Dichtelement radial nach außen absteht und in unmittelbare Nähe eines Teils des Gehäuses, wie des Hitzeschirms 82 oder 84 reicht.

Der Innenraum der Lagerkammer wird mit Öl versorgt, um das Lager 68 zu schmieren. Das Öl wird über eine nicht dargestellte Zu­ fuhrleitung zugeführt, welche das Öl auf das Lager sprüht. Das Öl dient zum Kühlen des Lagers und hat eine Temperatur, die weit unter der Temperatur des inneren Hohlraumes ist. Eine nicht dargestellte Rücklaufleitung zieht das Öl vom Boden der Lagerkammer ab und führt das Öl in einem Kreislauf zu einem Wärmetauscher, der in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Brennstoff des Triebwerks steht. Es kann noch eine zusätzliche Ölquelle vorgesehen sein, die beispielsweise durch die Sprührohre 156 und 158 verwirklicht ist. Diese Sprührohre haben Löcher 160, um das Öl auf die Innenflächen der Gehäuse zu sprühen, die in der Nähe der Prallbereiche 124 liegen. Die Sprührohre sprühen das Öl auch auf andere Innenflächen der Ge­ häuse in der Nähe der Bereiche, die eine besondere Kühlung be­ nötigen.

Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlungsform, die bereits bei der Abhandlung der Fig. 2 erwähnt worden ist. Die Abwandlungs­ form gemäß Fig. 4 weist ein Gehäuse auf, das eine Vielzahl von ersten Lufthutzen 102 und eine Vielzahl von zweiten Luft­ hutzen 104 besitzt, die mit der ankommenden Strömung ausge­ richtet sind, um Luft einzufangen und aus dem zweiten Bereich P+ des ringförmigen Hohlraumes 42 abzuziehen und den ring­ förmigen Verteilerräumen 76 und 78 zuzuführen. Wenn die Luft in die Verteilerräume eintritt, hat sie einen Druck, der höher als der Druck im Bereich P- ist.

Die Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Zeit für die Zündverzögerung in Millisekunden (Zeitcharakteristik der Selbstzündung) eines Öl-/Luftgemisches als eine Funktion der Temperatur in Grad Celsius. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, nimmt die Zeitcharakteristik der Selbstzündung mit steigender Temperatur und steigendem Druck ab.

Während des Betriebes der Gasturbinenanlage 10 fließt das gas­ förmige Arbeitsmedium durch den primären Strömungskanal 22 und den sekundären Strömungskanal 24. Wenn die Gase durch den primären Strömungskanal fließen, werden die Gase im Bläser­ teil und im Verdichterteil verdichtet und im Brennerteil mit Brennstoff verbrannt, um den Gasen durch Erhitzen Energie zu­ zuführen. Die heißen Druckgase werden durch den Turbinenteil hindurchgeführt, um einen Schub zu erzeugen und Nutzarbeit zu leisten, indem die Läuferanordnung um ihre Drehachse A_r ge­ dreht wird. Die Temperatur dieser Gase kann 1100°C erreichen, während der Druck dieser Gase 14 bar überschreiten kann.

Der Kranz der kühlbaren Laufschaufeln, die sich quer über den Strömungskanal des Arbeitsmediums erstrecken, wie beispiels­ weise die Laufschaufeln 32 und 34 werden von den heißen Ar­ beitsgasen umspült und nehmen Wärme von den Gasen auf. Die Laufschaufeln werden gekühlt, indem unter Druck stehende Kühl­ luft durch die Laufschaufeln hindurchgeschickt und in den Strö­ mungskanal des Arbeitsmediums eingeleitet wird. Die Kühlluft wird auf einen hohen Druck gebracht, welcher die hohen Drücke der Arbeitsgase im Strömungskanal des Hochdruckteils der Tur­ bine überschreitet. Eine geeignete Kühlluftquelle für ein Kühlen der Laufschaufeln unter Druck im Hochdruckteil der Turbine ist der Austrittsbereich der hintersten Läuferstufe 30 im Hochdruck­ teil des Verdichters.

Unter Druck stehende Kühlluft wird über den Strömungskanal C₁ der ersten Läuferstufe des Turbinenteils zugeführt. Die Kühl­ luft für die zweite Läuferstufe des Turbinenteils hat einen Druck, der etwas niedriger als der Druck in der ersten Läufer­ stufe des Turbinenteils ist, aber immer noch sehr hoch ist, da die zweite Läuferstufe des Turbinenteils im Strömungskanal nahe an der letzten Stufe des Hochdruckteils des Verdichters liegt. Die Läuferstufe 30 des Verdichterteils ist auch eine zu­ friedenstellende Kühlluftquelle für die zweite Läuferstufe 34 des Turbinenteils. Die Kühlluft wird aus dem primären Strömungs­ kanal abgezweigt und dem inneren, ringförmigen Hohlraum 42 längs des Strömungskanals 44 zugeführt. Die Kühlluft fließt am Lagergehäuse vorbei und durch die Bohrung der ersten Läufer­ stufe 32 zur zweiten Läuferstufe 34 des Turbinenteils. Obgleich die unter hohem Druck stehende Luft eine bescheidene Kühlung der Laufschaufeln bewirkt (was daran zu sehen ist, daß die Temperaturen des Gaskanals 1100°C erreichen) und obwohl der Gasdruck etwas niedriger als der Luftdruck ist, liegt die Tem­ peratur der Luft über 430°C, während der Druck der Luft 14 bar überschreitet.

Mit Rücksicht auf den Innenraum der Lagerkammer 40, die bei Temperaturen unter 200°C und bei Drücken arbeitet, die viel niedriger als der Druck im ringförmigen Hohlraum 42 sind, ist die durch den Strömungskanal 44 fließende Luft eine heiße, unter hohem Druck stehende Luft.

Die Wirksamkeit der ersten Dichtungseinrichtung 131 und der zweiten Dichtungseinrichtung 132 nimmt rasch ab, wenn der an den Dichtungseinrichtungen wirksame Druckunterschied 7 bar zu überschreiten beginnt. Die Lagerkammer wird daher auf einem Druck gehalten, der über 7 bar liegt, um zu gewährleisten, daß der an den Dichtungseinrichtungen wirksame Druckunterschied 7 bar nicht überschreitet. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, führt ein Leckstrom der Luft längs eines Leckweges L₁ oder L₂ in das Öl-/Luftgemisch in der Lagerkammer bei einer Temperatur von 430°C zu einer Selbstzündung innerhalb von 100 Millisekunden nach dem Eintritt der Luft in die Lagerkammer, vorausgesetzt, daß die Leckluft nicht mit der kühleren Umgebung der Lagerkammer gemischt werden kann, die etwa eine Temperatur von 150°C hat. Bei bestimmten Betriebsbedingungen des Triebwerks, beispiels­ weise bei einem Start auf Meereshöhe kann die Temperatur der Luft im inneren, ringförmigen Hohlraum 42 bis auf 480°C an­ steigen. In diesem Fall liegt die Zeit für eine Selbstzündung in der Größenordnung von 5 Millisekunden.

Deshalb werden bestimmte Bereiche des Triebwerks in der Nähe der Dichtungseinrichtungen 131 und 132 mit Luft versorgt, die eine niedrigere Temperatur hat. So wird beispielsweise da­ für gesorgt, daß der erste Pufferraum 133 und der zweite Puffer­ raum 134 mit einer Luftquelle in Verbindung stehen, die einen statischen Druck hat, der höher als der örtliche statische Druck der Luft im inneren ringförmigen Hohlraum in der Nähe der Dich­ tungseinrichtung ist, um zu verhindern, daß die Luft im inneren ringförmigen Hohlraum in die Dichtungseinrichtungen fließt. Die Pufferluft wird mit einem ausreichenden Durchsatz herangeführt, so daß die gesamte Leckluft von der Druckluftquelle zugeführt wird und die Luft auf einen Wert gekühlt wird, der eine Selbstzündung verhindert, wenn Leckluft in die Lagerkammer ein­ dringt. In dieser Hinsicht besteht die vorsichtigste Betriebs­ weise darin, die Zeit der Selbstzündung, d. h. die Charakteristik der Selbstzündung der Leckluft zu bestimmen. Als nächstes ist die größte Zeitspanne zu bestimmen, wie lange sich die Leckluft in der Lagerkammer aufhält, bevor sie vollständig mit dem eine niedrigere Temperatur aufweisenden Luft-/Ölge­ misch in der Lagerkammer vermischt ist. Das heißt, es ist die Charakteristik der Abschreckzeit zu bestimmen. Dann ist die Pufferluft zu kühlen, bis die Druckluft eine Zeitcharakteristik für die Selbstzündung hat, die größer als die Zeitcharakte­ ristik für das Abschrecken ist. Eine noch vorsichtigere Betriebsweise liegt darin, davon auszugehen, daß die Zeit für das vollständige Mischen die kürzeste Verweilzeit der Luft in der Lagerkammer ist, und daß die Zeit für das vollständige Mischen vom Durchsatz des Luft-/Ölgemisches durch die Lager­ kammer abhängt. Die Zeit in der Lagerkammer ist die Verweil­ zeitcharakteristik der Lagerkammer.

Wenn daher diese Betriebsweise angewandt wird, bei welcher die Lagerkammer 40 in einer heißen, unter hohem Druck stehenden Um­ gebung betrieben werden kann, wird einem Pufferbereich, wie beispielsweise den Pufferräumen 133 und 134 Druckluft mit einem statischen Druck zugeführt, der größer als der örtliche, statische Druck im inneren, ringförmigen Hohlraum 42 ist. Die zugeführte Druckluft hat eine Temperatur, die ausreichend niedrig ist, so daß die Zeitcharakteristik für die Selbstzündung der zugeführten Pufferluft größer ist als die Zeitcharakteristik zum Abschrecken oder die Verweilzeitcharakteristik der Luft, wenn Leckluft in die Lagerkammer über Leckwege, wie beispiels­ weise durch die Leckwege L₁ und L₂ eindringt.

Eine Quelle der Druckluft ist der Hochdruckteil des Verdichters des Triebwerks. Die Luft hat jedoch eine erhöhte Temperatur. Wie aus den Ausführungsformen hervorgeht, die in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt sind, wird ein Teil der hochverdichteten Luft vom Verdichter abgezogen. Die Luft wird mit einem Durch­ satz abgezogen, der zumindest den Leckstrom an der ersten Dich­ tungseinrichtung und an der zweiten Dichtungseinrichtung be­ friedigt, wenn die Luft den Pufferräumen zugeführt wird. Der vom Strömungskanal des Verdichters abgezogene Luftanteil wird über eine Leitung 52 dem Wärmetauscher 48 zugeführt. Die heiße Druckluft tritt in den Wärmetauscher ein. Der Wärmetauscher nutzt den hohen Druck der Luft aus, indem die Luft den Prall­ rohren 206 zugeführt und dafür gesorgt wird, daß der Luftstrom auf die Seitenwände und auf die Vorderkante 176 des Wärmetau­ schers in der Gestalt eines Tragflügels aufprallt. Der auf­ prallende Luftstrom erhöht den Wärmeübergang durch Leitung und Konvektion erheblich und ist eine wirksame Maßnahme, um die Luft durch den Wärmeübergang von der Luft auf die Wände des Wärmetauschers zu kühlen. Die Nebenstromluft des Bläserteils, welche über die Außenflächen des Tragflügels 176 streicht, nimmt Wärme von den Gasen auf, wodurch der Energiegehalt der Luft zunimmt, wenn die Luft ausgeblasen wird, um dem Triebwerk einen Sekundärschub zu erteilen. Ein besonderer Vorteil dieser Art des Wärmetauschers liegt in der dünnen Grenzschicht, die im Bereich der Vorderkante des Tragflügels und im vorderen Abschnitt der Seitenwände vorliegt. Die dünne Grenzschicht ge­ stattet einen turbulenten Wärmeübergang zwischen den Seiten­ wänden und der Bläserluft. Ein ähnlicher Prallrohr-Wärmetau­ scher könnte an der Seite des Kanals angeordnet werden, wie dies in gestrichelten Linien durch den Wärmetauscher 48 gezeigt ist. In einem derartigen Fall würde eine Wand des Wärmetauschers in direkter Wärmeübertragungsbeziehung mit dem vorbeiströmenden, gasförmigen Arbeitsmedium stehen. Ein Wärmetauscher könnte auch die heiße, unter hohem Druck stehende Luft für eine Wärme­ übertragung durch Konvektion ausnutzen, indem der hohe Druck verwendet wird, um Luft durch ringförmige Kanäle mit einem großen hydraulischen Durchmesser, wie beispielsweise durch die Kanäle 214 hindurchzudrücken.

Der Druckunterschied zwischen dem Wärmetauscher 48 und dessen Umgebung überschreitet 14 bar. Dies macht es notwendig, daß der Wärmetauscher sowohl als Wärmetauscher als auch als Druckgefäß wirkt. Ein Vorteil in dieser Hinsicht wird durch die gekrümmten Seitenwände des Wärmetauschers erreicht, welche dem Druck mit Zugbeanspruchungen (Seitenwand 182) und Druck­ belastungen widerstehen. Diese gekrümmten Wände werden in Ver­ bindung mit starren, stegartigen Platten verwendet, die sich zwischen den Wänden erstrecken. Die steigartigen Platten sind beispielsweise die Trennwände 192 und 202. Die Trennwände erfüllen daher zwei Aufgaben, einerseits führen sie den Luft­ strom innerhalb des Wärmetauschers und andererseits halten sie den Wärmetauscher zusammen.

Die Prallrohre erfüllen ebenfalls zwei Aufgaben. Sie geben dem Tragflügel die Möglichkeit, Druckgas aufzunehmen. Erstens ist festzuhalten, daß die Prallrohre den Prallstrom führen und die Kanäle für einen konvektiven Wärmeübergang bilden, zweitens ist festzuhalten, daß die Prallrohre als inneres Druckgefäß dienen, um die Druckluft im äußeren Druckgefäß aufzunehmen, das durch die Seitenwände 182 und 184 gebildet wird. Ein weiterer Vorteil für die Verwendung des Bläserkanals als ein Ort für das Kühlen der heißen Druckgase besteht darin, daß brenn­ bare Dämpfe nicht vorhanden sind. Für den Fall, daß die Zufuhr­ leitung 52 oder der Wärmetauscher 48 ein Leck bekommen, wer­ den die Leckgase, welche die Gefahr einer kleinen Selbstzündungs­ charakteristik haben, vom Arbeitsgas im sekundären Strömungs­ kanal weggespült und aus dem Triebwerk ausgestoßen.

Wenn der Wärmetauscher 48 die Luft gekühlt hat, wird die ge­ kühlte Luft über die zweite Leitung 54 in den Innenraum des Triebwerks zurückgeführt. Die gekühlte Luft kann einerseits direkt dem ersten und zweiten Pufferraum 133, 134 zugeführt werden, wie dies in gestrichelten Linien in Fig. 3 gezeigt ist. Die gekühlte Luft kann andererseits auch dem ersten, ring­ förmigen Verteilerraum 76 und dem zweiten, ringförmigen Verteiler­ raum 78 zugeführt und von dort dem ersten Pufferraum und dem zweiten Pufferraum zugeleitet werden. Wenn die Luft durch die Verteilerräume fließt, wird Wärme an den Innenraum der Lager­ kammer abgegeben, wodurch die Luft weiter gekühlt wird, bevor sie die Pufferräume erreicht. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, er­ fährt die Luft dadurch eine weitere Kühlung, daß die Luft durch die Prallplatten 112 auf den Flächen des Gehäuses 70 aufprallt. Das Kühlen der Luft wird ferner noch dadurch unterstützt, daß das Öl aus den Sprührohren 156 und 158 auf das Gehäuse ge­ sprüht wird. Versuche haben gezeigt, daß die Temperatur der Pufferluft auch ohne Prallplatte und ohne ein Ölsprühen auf weniger als 370°C allein durch die Verwendung des Wärmetauschers im Bläserkanal gesenkt werden kann.

Die Luftmenge, die den Pufferräumen zumindest in einem Umfang zugeführt wird, der ausreicht, um den Leckverlust der Luft durch die Leckwege L₁, L₂ und L₃ zu ersetzen, ist im Ver­ gleich zu Bauformen klein, die große Luftvolumina verwenden, um den Innenraum der Lagerkammer 40 zu spülen oder die ganze Kammer vollständig zu puffern. Nichtsdestoweniger ist diese Pufferluft eine Luft, die aus dem Strömungskanal des Arbeits­ mediums abgezweigt und einem Strömungskanal zugeführt wird, der keine Nutzarbeit leistet. Obgleich der Wärmetauscher im Bläserkanal klein ist und eine aerodynamische Form hat, stellt der Wärmetauscher einen Störkörper im aerodynamischen Strömungs­ kanal 24 des Triebwerks dar.

Die in Fig. 2 mit gestrichelten Linien und in Fig. 4 mit aus­ gezogenen Linien dargestellte Lagerkammer 40 ist nicht mit einem Wärmetauscher verbunden, der außerhalb des Strömungs­ kanals des Arbeitsmediums angeordnet ist. Es werden auch keine zusätzlichen Gase direkt aus dem Strömungskanal des Arbeits­ mediums abgezogen. Anstelle dafür wird ein Teil der heißen Kühlluft aus dem inneren, ringförmigen Hohlraum 42 aus dem Hochdruckbereich P+ des ringförmigen Hohlraums mit Hilfe der Lufthutzen 102 und 104 abgezweigt. Die Lufthutzen wandeln einen wesentlichen Teil des Geschwindigkeitsdruckes der Luft und damit einen wesentlichen Teil des gesamten Druckes der Luft in einen statischen Druck um. Die Luft aus dem inneren, ring­ förmigen Hohlraum 42 wird daher wie die Luft bei den Ausführungs­ beispielen nach den Fig. 1-3 den ringförmigen Verteilerräumen 76, 78 und anschließend den Pufferräumen 133, 134 zugeführt. Die Pufferluft kann wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1-3 durch Prallplatten 112 und durch Öl gesteigert werden, das auf die Oberfläche des Gehäuses in der Nähe der Prallbereiche 124 aufgespritzt wird. Versuche haben gezeigt, daß die Pufferluft eine zufriedenstellende Kühlwirkung hat, wenn die Luft aus dem ringförmigen Hohlraum 42 in den ring­ förmigen Verteilerraum ohne eine Prallplatte und ohne besondere Rohre fließt, welche Öl auf die Innenfläche des Gehäuses sprühen.

Die thermische Kapazität der Lagerkammer ist groß im Verhältnis zur Wärmemenge, die der Luft entzogen wird, die zu den Puffer­ räumen fließt. Die thermische Kapazität der Lagerkammer ist auch groß im Verhältnis zur Wärmemenge, die von der Luft auf­ genommen wird, die von den Pufferräumen über den ersten Leck­ weg L₁ und den zweiten Leckweg L₂ fließt. Das Kühlen der Puffer­ luft führt daher nur zu einer geringen Zunahme der Öltemperatur. Das Kühlen der Pufferluft führt daher nicht zu einer Herab­ setzung dieser Ausgestaltung des Triebwerks. Diese Wärme kann an den Brennstoff abgegeben werden, der über einen Brennstoff- /Ölkühler der Brennkammer zugeführt wird. Auf diese Weise wird die Wärme wieder in den Strömungskanal des Arbeitsmediums zurück­ geführt.

Obgleich die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, liegt es für einen Durchschnitts­ fachmann auf der Hand, daß verschiedene Änderungen in der Form und Einzelgestaltung der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (8)

1. Gasturbinentriebwerk mit:
einem Verdichterteil (14), einem Brennerteil (16) und einem Turbinenteil (18);
einem ringförmigen Triebwerksströmungskanal (22), der sich von dem Verdichterteil (14) über das Brennerteil (16) bis zu dem Turbinenteil (18) erstreckt;
einer Läuferanordnung (28) und einer Statoranordnung (26), welche den Triebwerksströmungskanal (22) begrenzen;
einer Läuferwelle (26) der Läuferanordnung (28), die sich in Axialrichtung des Triebwerks erstreckt und mittels mindestens eines Lagers (68) gelagert ist;
einer Lagerkammer (40) zur Aufnahme des mindestens einen Lagers (68), wobei die Lagerkammer (40) ein das Lager (68) schmierendes Schmiermittel aufnimmt, ein ringförmiges Gehäuse (70) aufweist und in einem inneren ringförmigen Hohlraum (42) angeordnet ist, der von der Statoranordnung (26) und der Läuferanordnung (28) begrenzt wird; und
Dichtungseinrichtungen (131, 132) zum Abdichten des Gehäu­ ses (70) gegenüber der Läuferanordnung (28), wobei die Dichtungseinrichtungen (131, 132) den Endbereichen des Gehäuses (70) zugeordnet sind und wobei die Dichtungsein­ richtungen (131, 132) mit einem unter Druck stehenden, gekühlten Gas beaufschlagt werden;
dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkammer Triebwerksgas aus dem Triebwerksströmungskanal (22) aufnimmt;
daß ein Strömungskanal (44) außerhalb der Lagerkammer (40) zum Zuführen von Turbinenkühlluft an das Turbinenteil (18) vorgesehen ist, der sich von dem Verdichterteil (14) durch den inneren Hohlraum (42) zu dem Turbinenteil (18) er­ streckt und dem Triebwerksgas aus dem Triebwerksströmungskanal (22) zugeführt wird;
daß ringförmige Pufferräume (133, 134) vorgesehen sind, die jeweils an eine der Dichtungseinrichtungen (131, 132) angrenzen, wobei sich die Pufferräume (133, 134) zwischen der Lagerkammer (40) und dem ringförmigen Hohlraum (42) erstrecken und von der Läuferanordnung (28) und dem Gehäuse (70) der Lagerkammer (40) begrenzt sind;
daß eine Einrichtung (54; 108′) vorgesehen ist, die die unter Druck stehende Pufferluft aus einer Hochdruckver­ dichterstufe zu den Pufferräumen (133, 134) führt, wobei die Pufferluft unter normalen Betriebsbedingungen einen höheren statischen Druck als die Turbinenkühlluft in dem inneren, ringförmigen Hohlraum (42) in der Nähe der Puffer­ räume (133, 134) und in der Lagerkammer (40) hat;
daß eine Einrichtung zum Kühlen der Pufferluft vorgesehen ist, die die Pufferluft auf ihrem Weg von der Hochdruckver­ dichterstufe zu den Pufferräumen (133, 134) kühlt, so daß die Pufferluft auf eine Temperatur gekühlt wird, die geringer als die Temperatur der Turbinenkühlluft im inne­ ren, ringförmigen Hohlraum (42) ist; und
daß die Temperatur der Pufferluft derart eingestellt ist, daß ein Gemisch aus Schmieröl und der Pufferluft eine größere Zeitcharakteristik der Selbstzündung bewirkt, als ein Gemisch aus Schmieröl und der Turbinenkühlluft im inneren, ringförmigen Hohlraum (42) in der Nähe der Dich­ tungseinrichtungen (131, 132).

2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse (70) der Lagerkammer (40) in Abstand von der Läuferanordnung (28) angeordnet ist, wodurch die Pufferräume (133, 134) dazwischen freibleiben.

3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Schutzschirm (72, 74) mit Abstand um das Gehäuse (70) und ein Hitzeschirm (82, 84) mit Abstand um den Schutzschirm (72, 74) angeordnet ist, wobei zwischen dem Schutzschirm (72, 74) und dem Hitzeschirm (82, 84) ein toter Luftraum gebildet ist und die Pufferluftzuführein­ richtung in die Pufferräume (133, 134) in einen Vertei­ lerraum (76, 78) zwischen dem Gehäuse (70) und dem Schutz­ schirm (72, 74) mündet, der mit den Pufferräumen in Ver­ bindung steht.

4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß in dem Verteilerraum (76, 78) eine mit Löchern (26) versehene Prallplatte (112) angeordnet ist, die den Verteilerraum (76, 78) in einen Zuführbereich (122) und einen Prallbereich (124) unterteilt, wobei der Zuführ­ bereich (122) mit der Pufferluftzuführeinrichtung und der Prallbereich mit den Pufferräumen (133, 134) in Verbindung steht.

5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Lagerkammer (40) eine Einrichtung (156, 158) zum Sprühen von Schmieröl auf das Gehäuse (70) vor­ gesehen ist.

6. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Hohlraum (42) zum Teil durch eine in Bezug auf die Triebwerksachse (A_r) schräge Fläche (98) begrenzt ist, welche die Luft in dem Hohlraum (42) nach außen längs der Fläche zur Bildung eines Hochdruckbereichs (P+) im radial äußeren Teil des Hohlraums (42) und eines Niederdruckbereichs (P-) am radial inneren Teil des Hohlraums (42) beschleunigt, wobei die Pufferluft­ zuführeinrichtung Luftaufnahmehutzen (102, 104) im Hoch­ druckbereich (P+) des Hohlraums (42) aufweist.

7. Gasturbinentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Bypassströmungskanal (24), dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferluftzuführeinrichtung eine erste Leitung (52), die von einer Hochdruckverdichterstufe zu einem Wärmetauscher (48) im Bypassströmungskanal (24) führt, und eine zweite Leitung (54) aufweist, die vom Wärmetauscher (48) zu den Pufferräumen (133, 134) führt.

8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Leitung (54) über eine Vielzahl von Rohren (108′) direkt mit den Pufferräumen (133, 134) in Verbindung steht.