DE3542584A1 - Turbinenkuehlluftzufuhrsystem und damit ausgeruestetes gasturbinentriebwerk - Google Patents

Turbinenkuehlluftzufuhrsystem und damit ausgeruestetes gasturbinentriebwerk

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DE3542584A1
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Description

Patentanwalt
Dipl.-Ing. Rolf Menges
Erhardtstraße 12
D-8000 Münchens
Unser Zeichen/Our ref. Datum/Date
U 02.12.1985
United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.
Turbinenkühlluftzufuhrsystem und damit ausgerüstetes
Gasturbinentriebwerk
Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke, die kühlbare Turbinenrotorbaugruppenteile haben.
Die Erfindung ist zwar speziell bei der Zufuhr von Kühlluft zu den Laufschaufeln der Baugruppe verwendbar, ihre Verwendbarkelt beschränkt sich jedoch nicht darauf.
In Gasturbinentriebwerken, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird Brennstoff in einer Brennkammer verbrannt, um heißes Gas zu erzeugen. Das heiße Gas expandiert in einem Turbinenabschnitt an abwechselnden Kränzen von stationären Leitschaufeln und umlaufenden Laufschaufeln, um nutzbare Leistung zu erzeugen. Die Gastemperaturen an den ersten Kränzen von Leit- und Laufschaufeln liegen üblicherweise über 1093,3 0C (20000F). Die Lauf- und Leitschaufeln, die durch das heiße Gas beschädigt werden
können, werden durch Luft gekühlt, die stromaufwärts in dem Triebwerk verdichtet und zur Kühlung zu der Turbine geleitet wird.
Ein großes Problem, das bei solchen Systemen auftritt, ist die Übertragung der Kühlluft aus stationären Hohlräumen innerhalb des Triebwerksstators zu der Rotorbaugruppe zur anschließenden Verteilung auf das Innere der Laufschaufeln. Die US-Patentschriften 3 768 921, 3 990 812, 4 178 129, 4 236 869 und 4 435 123 beschreiben zu der Erfindung in Beziehung stehende Einrichtungen für diese Verteilung.
Trotz der Verfügbarkeit der bekannten Verteilungseinrichtungen suchen Wissenschaftler und Ingenieure in der Gasturbinenindustrie weiterhin nach noch besseren Einrichtungen und insbesondere nach Einrichtungen, durch die sich die zugeführte Kühlluft besser ausnutzen läßt oder die zugeführten Kühlluftmengen, die die erforderliche Menge überschreiten, reduziert werden können.
Gemäß der Erfindung ist die Kühlluftmenge, die den Turbinenlaufschaufeln eines Gasturbinentriebwerks zuführbar ist, in Abhängigkeit vom Bedarf der Laufschaufeln durch öffnen und Schließen eines Teils der Einblasevorrichtungen eines Tangentialbordeinblasesystems, das der Rotorbaugruppe die Kühlluft zuführt, variabel.
Zu den Hauptmerkmalen der Erfindung gehören die ersten Einblasevorrichtungen und die zweiten Einblasevorrichtungen des Tangentialbordeinblasesystems. Die Einblasevorrichtungen beider Sätze sind in Umfangsabstand um das Triebwerk angeordnet, wobei die zweiten Einblasevorrichtungen bei der beschriebenen Ausführungsform in radialem Abstand außerhalb von den ersten Einblasevorrichtungen angeordnet sind. Ein kreisförmiger Ring an dem stromaufwärtigen Ende der
zweiten Einblasevorrichtungen hat mehrere öffnungen, die im Durchflußquerschnitt und im Abstand dem Durchflußquerschnitt und dem Abstand der zweiten Einblasevorrichtungen entsprechen. Stellantriebsvorrichtungen sind in der Lage, den Ring so zu drehen, daß die öffnungen mit den zweiten Einblasevorrichtungen bei Bedingungen maximalen Kühlluftbedarfes fluchten und bei Bedingungen, die weniger Luftzufuhr erfordern, nicht fluchten.
Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, daß überschüssige Mengen an Kühlluft üblicherweise den gekühlten Turbinenlaufschaufeln bei Reiseflugbedingungen zugeführt werden, damit eine ausreichende Luftzufuhr bei Bedingungen maximaler Leistung verfügbar ist. Ein Hauptvorteil der Erfindung sind die beträchtliche Verringerung der Kühlluftmenge, die zum Kühlen der Turbinenlaufschaufeln bei Reiseflugbedingungen benutzt wird, und eine beträchtliche Verringerung der Kühlluft, die über dem Triebwerksflugzyklus benutzt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung
eines Teils des Turbinenabschnitts eines Gasturbinentriebwerks, die die Vorrichtung für die Verteilung von Kühlluft auf die Turbinenlaufschaufeln zeigt, und
Fig. 2 eine Schnittansicht nach der
Linie 2-2 in Fig. 1, die die
Blockierung der Kühlluftzufuhr zu den zweiten Einblasevorrichtungen zeigt.
Ein vereinfachter Teil 10 des Turbinenabschnitts eines Gasturbinentriebwerks ist in Fig. 1 gezeigt. Der Teil umfaßt eine Statorbaugruppe 12 und eine Rotorbaugruppe 14. Ein StrÖ-mungsweg 16 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial zwischen abwechselnden Kränzen von Leitschaufeln, die durch die einzelne Leitschaufel 18 dargestellt sind, und Kränzen von Laufschaufeln, die durch die einzelne Laufschaufel 20 dargestellt sind, von einer Brennkammer 22 aus.
Ringförmige Hohlräume 24 und 26, die in Strömungsmittelverbindung miteinander sind, sind in der Statorbaugruppe 12 gebildet und dienen zum Teil als Reservoire für Turbinenkühlluft. Ein Statorteil 28, das einen Teil der Wand des Hohlraums 24 bildet, trägt den Kranz von Leitschaufeln 18. Die Leitschaufeln 18 erstrecken sich von dem Statorteil 28 aus durch den Strömungsweg 16 für Arbeitsmediumgase. Jede Leitschaufel hat mehrere innere Kühlkanäle und Oberflächenöffnungen, durch die Luft aus dem Hohlraum 24 hindurchleitbar ist, um die Leitschaufeln zu kühlen.
Unmittelbar stromabwärts des Kranzes der Leitschaufeln 18 ist der Kranz der Laufschaufeln 20 angeordnet. Die Laufschaufeln erstrecken sich von einer sie tragenden Rotorscheibe 30 aus radial nach außen. Hohlräume 32 und 34 sind zwischen dem Statorteil 28 und der Rotorscheibe 30 gebildet. Der Hohlraum 34 ist durch Labyrinthdichtungen 36 abgetrennt und mit Kühlluft aus dem Hohlraum 26 über mehrere erste Einblasevorrichtungen oder -düsen 38 versorgbar. Die Einblasevorrichtungen 38 sind in der gezeigten Ausführungsform in gegenseitigem Umfangsabstand um das Triebwerk angeordnet. Darüber hinaus können mehrere zweite Einblasevorrichtungen oder -düsen 40 zusätzliche Kühlluft aus dem Hohlraum 26 dem Hohlraum 34 zuführen. Die zweiten Einblasevorrichtungen 40 sind in der ge-
-•ο -
zeigten Ausführungsform ebenfalls in gegenseitigem Umfangsabstand um das Triebwerk angeordnet. Die Einblasevorrichtungen sind oben als "Tangentialbordeinblasevorrichtungen" bezeichnet, und ihre Arbeitsweise ist in der oben erwähnten US-PS 3 768 921 beschrieben. Ein kreisförmiger Ring 42, der Öffnungen 44 hat, die in Deckung mit entsprechenden zweiten Einblasevorrichtungen 40 bringbar sind, ist anliegend an dem Statorteil 28 angeordnet, welches die Einblasevorrichtungen trägt. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist der Ring 42 durch eine Stellantriebsvorrichtung 46 in eine Position drehbar, in der die Öffnungen 44 und die zweiten Einblasevorrichtungen 40 in Deckung sind, und außerdem in eine derartige Position drehbar, daß der Ring 42 die Kühlluft, die sonst in die zweiten Einblasevorrichtungen 40 streiten würde, blockiert.
Die Rotorscheibe 30 hat gemäß der Darstellung in Fig. 1 mehrere Löcher 48 (nur eines ist gezeigt), durch die Kühlluft aus dem Hohlraum 34 in einen inneren Hohlraum 50 innerhalb der Rotorbaugruppe 14 strömen kann. Kanäle 52 in der Rotorscheibe 30 gestatten die Kühlluftströmung zu den Turbinenlaufschaufeln 20, die an der Rotorscheibe befestigt sind. Jede Laufschaufel 20 hat mehrere innere Kühlkanäle und Oberflächenöffnungen 54, durch die Luft zum Kühlen der Laufschaufeln hindurchleitbar ist.
Die Kühlluftmenge, die zum Kühlen der Turbinenlaufschaufeln 20 erforderlich ist, variiert mit dem Triebwerk, für das die Laufschaufeln vorgesehen sind. In modernen Triebwerken wird die Temperatur der Arbeitsmediumgase 1093,30C (20000F) übersteigen, und eine gewährleistete Zufuhr an Kühlluft über jede Öffnung 54 ist erforderlich, um den Rückstrom von heißen Arbeitsmediumgasen gegen die Oberfläche der Laufschaufeln oder in das Innere der Laufschaufel durch eine oder mehrere der Öffnungen 54 zu verhindern. Bei jeder derartigen Konstruktion werden der Druck der Kühlluft, die dem Inneren der Laufschaufeln 20 zugeführt wird,
und die Gesamtquerschnittsflache der Öffnungen 54 proportional bemessen, daß die erforderliche Kühlluftmenge bei dem höchsten Triebwerksleistungswert, d.h. den heißesten Turbinenluftströmungsbedingungen, geliefert wird.
In der dargestellten Ausfuhrungsform der Erfindung wird die Kühlluftmenge bei dem höchsten Triebwerksleistungswert durch die Einblasevorrichtungen 38 und 40 gemeinsam geliefert. Zum Liefern dieser Kühlluftmenge wird der kreisförmige Ring 42 durch die Stellantriebsvorrichtung 46 in eine derartige Position gebracht, daß die öffnungen 44 auf die zweiten Einblasevorrichtungen 4 0 ausgerichtet sind. Wenn das Triebwerk auf niedrigere Leistungswerte gedrosselt und der Kühlluftbedarf proportional verringert wird, wird der kreisförmige Ring 4 2 in Umfangsrichtung bewegt, so daß der Ring die Strömung zu den zweiten Einblasevorrichtungen 42 blokkiert. Dadurch wird die Strömung in den Hohlraum 34 und infolgedessen die den Turbinenlaufschaufeln 20 zugeführte Luftmenge verringert.
Wie beschrieben reicht die Funktion der zweiten Einblasevorrichtungen 42 von dem Zustand voll "Ein" bis zu dem Zustand voll "Aus". Bei dazwischen liegendem Kühlbedarf können die öffnungen 44 durch die Stellantriebsvorrichtung 46 in veränderlichem Deckungsgrad bezüglich der zweiten Einblasevorrichtungen 40 positioniert werden, um Zwischengrade der Kühlluftzufuhrdrosselung zu erzeugen.
Die Verringerungen der Kühlluftmenge, die zugeführt wird, um die Teile der Turbine zu schützen, sind beträchtlich und liegen schätzungsweise in der Größenordnung von 10 % der gesamten zugeführten Kühlluftmenge im Vergleich zu Turbinen mit herkömmlichen Kühlluftzufuhrsystemen. Ein überwiegender Teil des Flugzyklus wird bei Höhenreiseflugbedingungen ver-
bracht, wo der Turbinenlaufschaufelkühlbedarf ungefähr 70 % des normalen Bedarfes beim Start beträgt. Das Verringern der Kühlluftzufuhr oder das Blockieren der Kühlluftzufuhr zu geeignet dimensionierten zweiten Einblasevorrichtungen 40 paßt die Menge an zugeführter Kühlluft bei Reiseflugbedingungen dem Bedarf von 70 % an, und es ergibt sich die genannte Einsparung von 10 % der gesamten zugeführten Kühlluftmenge.
- Leerseite -

Claims (4)

  1. Patentanwalt
    Dipl-lng. Rolf Menges
    Erhardtstraße 12
    D -8000 MüncheaS
    UnserZeichen/Ourref. U 903
    Datum/Date 02.12.1985
    United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.
    Patentansprüche :
    ( lyTurbinenkühlluftzufuhrsystem für ein Gasturbinentriebwerk zum Versorgen von dessen Laufschaufeln mit Kühlluft, mit an der Statorbaugruppe des Triebwerks befestigten Tangentialbordeinblasevorrichtungen zwischen einer Kühlluftquelle und der Triebwerksrotorbaugruppe zum Leiten von Kühlluft gegen die Rotorbaugruppe in der Drehrichtung der Rotorbaugruppe und mit Kanälen innerhalb der Rotorbaugruppe zum Leiten der Kühlluftströmung anschließend zu den Laufschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Anzahl der Einblasevorrichtungen (38) in gegenseitigem Umfangsabstand um das Triebwerk angeordnet ist,
    daß eine zweite Anzahl der Einblasevorrichtungen (40) in gegenseitigem Umfangsabstand um das Triebwerk angeordnet ist und
    daß eine Einrichtung (42) vorgesehen ist zum Drosseln der
    Kühlluftzufuhr zu den zweiten Einblasevorrichtungen (40) bei Triebwerksbetriebszuständen, die weniger als die le Ktihlluftzufuhr erfordern.
  2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drosseln der Kühlluftzufuhr zu den zweiten Einblasevorrichtungen (40) einen kreisförmigen Ring (42) aufweist, der an den stromaufwärtigen Enden der zweiten Einblasevorrichtungen (40) angeordnet ist und mehrere öffnungen (44) hat, wobei der Ring (42) in Umfangsrichtung um das Triebwerk drehbar ist, so daß die öffnungen (44) des Ringes (42) mit den zweiten Einblasevorrichtungen (40) im wesentlichen in Deckung sind und daß die Kühlluftzufuhr über die zweiten Einblasevorrichtungen (40) bei Triebwerksbetriebszuständen, die weniger als die maximale Kühlluftzufuhr erfordern, drosselbar ist.
  3. 3. Gasturbinentriebwerk mit einer Rotorbaugruppe und einer Statorbaugruppe, gekennzeichnet durch:
    eine Rotorbaugruppe (14) mit einer Rotorscheibe (30), die mehrere kühlbare Laufschaufeln (20) trägt, welche sich von ihr aus nach außen erstrecken, und mit einem Hohlraum (50) im Innern der Rotorbaugruppe, der Kühlluft zur anschließenden Verteilung auf die Laufschaufeln (20) empfangen kann, wobei die Rotorscheibe (30) Durchgangslöcher (48) hat, die in Verbindung mit dem Hohlraum (50) sind;
    ein Statorteil (28) , das mehrere erste Einblasevorrichtungen (38) und mehrere zweite Einblasevorrichtungen (40) trägt und an deren stromaufwärtigen Enden einen Hohlraum (26) aufweist, dem Kühlluft zur anschließenden Verteilung auf die Rotorbaugruppe (14) des Triebwerks zuführbar ist;
    eine Dichtvorrichtung (36), die sich von dem Statorteil
    (28) und von der Rotorbaugruppe (14) aus erstreckt und dazwischen einen Hohlraum (34) um die stromabwärtigen Enden der Einblasevorrichtungen (38, 4Q) bildet, der über die Rotorscheibendurchgangslöcher (48) mit dem Hohlraum (50) der Rotorbaugruppe (14) in Strömungsmittelverbindung ist; und
    eine Einrichtung (42) , die an den stromaufwärtigen Enden der zweiten Einblasevorrichtungen (40) angeordnet und in der Lage ist, die Kühlluftströmung aus dem Hohlraum (26) innerhalb des Statorteils (28) zu den zweiten Einblasevorrichtungen (40) zu blockieren, wenn die Turbinenlaufschaufeln (20) weniger Kühlluftzufuhr benötigen.
  4. 4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die in der Lage ist, die Strömung von Kühlluft zu den zweiten Einblasevorrichtungen (40) zu blockieren, einen kreisförmigen Ring (42) aufweist, der öffnungen (44) hat, deren Abstand in Umfangsrichtung dem Abstand der zweiten Einblasevorrichtungen entspricht, und eine Vorrichtung (46) zum Drehen des Ringes in Umfangsrichtung um das Triebwerk entsprechend dem Kühlluftbedarf der Turbinenlaufschaufeln (20), so daß bei maximalem Kühlluftbedarf die Öffnungen (44) und die zweiten Einblasevorrichtungen (40) in voller Deckung sind und bei minimalem Kühlluftbedarf die zweiten Einblasevorrichtungen (40) durch den kreisförmigen Ring (42) vollständig blockiert sind.
    INSPECTED
DE19853542584 1984-12-14 1985-12-02 Turbinenkuehlluftzufuhrsystem und damit ausgeruestetes gasturbinentriebwerk Withdrawn DE3542584A1 (de)

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