DE3638961C2 - - Google Patents
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
- F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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- F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
- F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
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- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenstrahltriebwerk,
mit einem Hochdruckverdichter, dessen Rotor im wesentlichen
als Hohlwelle ausgeführt ist, wobei die Hohlwelle
hinter der letzten Laufradscheibe des Hochdruckverdichters
einen konisch sich verjüngenden Abschnitt
aufweist und mit einer Anordnung zur Kühlung des Hochdruckverdichters
durch Luftzufuhr vom Niederdruckverdichter.
Aus dem Prospekt CFM 2074/11/84 der Firma SNECMA-SCN,
welcher einen Axialschnitt eines Gasturbinenstrahltriebwerks
zeigt, sind Hochdruckverdichter dieser Art bekannt,
wobei die Kühlung des Verdichters durch einen vom Niederdruckverdichter
abgezweigten und im Spalt zwischen
den Hochdruckverdichterscheiben und der Niederdruckverdichter-Turbinenwelle
entlangführenden Luftstrom erfolgt,
welcher stromabwärts eine Turbinenlagerkammer kühlt.
Dabei ist die Kühlwirkung jedoch für die radial äußeren
Bereiche der Verdichterscheiben gering. Dadurch kommt
es insbesondere in den Scheiben der letzten Verdichterstufen
moderner hochverdichtender Triebwerke infolge
eines großen radialen Temperaturgradienten zu großen
Bauteilspannungen, die dadurch entstehen, daß die Scheiben
außen von dem warmen Verdichterhauptstrom und innen von
der Kühlluft umspült werden.
Durch die hierdurch und durch Fliehkräfte bedingten Spannungen
werden die Verdichterscheiben stark beansprucht,
weshalb man die letzten Stufen des Hochdruckverdichters
aus hochwarmfesten Nickellegierungen herstellt. Dies hat
jedoch den Nachteil, daß wegen der großen Dichte der
Nickellegierungen der Verdichter hohes Gewicht hat.
Aus der US-PS 36 47 313 ist ein gattungsgemäßes Gasturbinentriebwerk
bekannt, bei dem der Rotor des Hochdruckverdichtermittels
von an der ersten Verdichterstufe abgezweigter
Kühlluft umströmt wird. Nachteilig wirkt sich
dabei aus, daß der am meisten thermisch beanspruchte
Rotorteil im Bereich der Schaufelfüße nur unzureichend
gekühlt wird, da keine ausreichende Luftströmung im Bereich
zwischen den Rotorscheiben induzierbar ist. So
ergibt sich die ungewollte Wirkung, daß die radial inneren
Bereiche der Rotorscheiben von Kühlluft umströmt werden,
während die hochbeanspruchten Bereiche wenig gekühlt
sind.
Die US-PS 29 73 938 offenbart eine Anordnung, die eine
bessere Umspülung der radial äußeren Rotorteile erlaubt.
Hierbei sind Förderschaufeln im Raum zwischen benachbarten
Rotorscheiben angeordnet, die eine radiale Luftströmung
induzieren. Zusätzlich sind die hülsenartigen
Verbindungsabschnitte der Rotorscheiben mit Längsrippen
zur Verstärkung des Strömungseffektes versehen.
Dies erfordert eine aufwendige Befestigung der Förderschaufeln
an den Rotorscheiben und es besteht die Gefahr
von Vibrationssschäden im Betrieb.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen,
welche die Kühlung auch der äußeren Bereiche der
thermisch hochbeanspruchten Verdichterbauteile ermöglicht,
so daß deren thermische Spannungen vermindert
werden und die Bauteile aus Leichtmetallwerkstoffen hergestellt
werden können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Vorteil des Hitzeschildes besteht darin, daß die
letzte Verdichterscheibe und die konische Hohlwelle von
einer zu starken Aufheizung durch die vorbeiströmenden
heißen Verdichtergase bewahrt werden. Zur Kühlung dieser
Bauteile wird ferner ein zirkulierender Kühlluftstrom
durch den ringförmigen Hohlraum zwischen Hohlwelle und
Hitzeschild geführt, welcher aufgrund des durch
die Radiendifferenz zwischen Zu- und Austrittsöffnungen
hervorgerufenen Fliehkraftfeldes nach radial außen und
anschließend in den Raum zwischen den zwei letzten Verdichterscheiben
gefördert wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist es, den Hitzeschild
nach innen gekrümmt auszuführen, so daß eine Abstützung
des Hitzeschildes gegenüber der Fliehkraftbeanspruchung
möglich ist. Da im ringförmigen Hohlraum ein geringerer
Druck herrscht als radial außerhalb des Hitzeschildes,
wirkt diese Druckdifferenz zusätzlich der Fliehkraftbeanspruchung
entgegen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
sieht vor, daß auf der äußeren Seite des konisch geformten
Teils der Hohlwelle mehrere in axialer Richtung
verlaufende, über dem Umfang verteilte schaufelartige
Rippen angebracht sind. Dadurch wird die Zirkulation
der Kühlluft verstärkt. Außerdem erhöht sich die Kühlwirkung
durch die vergrößerte Oberfläche der Hohlwelle.
Zweckmäßigerweise sind die Rippen in Umfangsrichtung
gekrümmt, um die Förderwirkung zu erhöhen, so daß die
Luft mit ausreichendem Überdruck den Hohlraum verlassen
kann.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin,
daß nur ein nahe der Rotorscheibe befindlicher Abschnitt
der Hohlwelle vom ringförmigen Hitzeschild umgeben
ist. Hierdurch ließe sich der Temperaturgradient über
dieser Rotorscheibe vermindern und der Hitzeschild
könnte mit einer Gleitfläche für eine am Brennkammergehäuse
befestigte Umfangsdichtung versehen werden. So
würde verhindert, daß heiße Gase in den Hohlraum zwischen
Hohlwelle und Brennkammergehäuse eindringen und in
diesem Bereich die Temperatur unzulässig ansteigt.
Am Beispiel der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungs
formen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. Dabei
zeigt
Fig. 1 einen Axialschnitt des hinteren Hochdruckverdichter
teils und der zur Hochdruckturbine führenden Hohlwelle
mit dem erfindungsmäßigen Hitzeschild,
Fig. 2 die gleiche Anordnung mit erfindungsgemäßen Rip
pen,
Fig. 3 eine schematische axiale Ansicht der konischen
Hohlwelle mit Rippen,
Fig. 4 die gleiche Anordnung mit dem auf den vorderen
Hohlwellenbereich beschränkten Hitzeschild.
Gemäß Fig. 1 ist an der letzten Rotorscheibe 3 des Hoch
druckverdichters 2 eine zunächst konisch sich verjün
gende, dann zylindrisch verlaufende Hohlwelle 1 befestigt,
welche stromabwärts mit einer nicht dargestellten Hoch
druckturbine gekoppelt ist. Hinter den Verdichterschau
feln 8 der hintersten Rotorscheibe 3 ist ein zu einer
nicht dargestellten Brennkammer gehöriges Innengehäuse 11
angeordnet. Radial innen befindet sich eine Welle 16, die
einen nicht dargestellten Niederdruckverdichter mit einer
ebenfalls nicht dargestellten Niederdruckturbine koppelt.
Ein Hitzeschild 4 ist am radial äußeren Rand der Rotor
scheibe 3 so befestigt, daß er bis an den Fußbereich der
Verdichterschaufeln 8 heranreicht und auf diese Weise die
Rotorscheibe 3 von hinten gänzlich gegenüber dem vorbei
fließenden Heißgasstrom des Hochdruckverdichters 2 ab
schirmt. Stromabwärts ist der Hitzeschild 4 am zylindri
schen Teil der Hohlwelle 1 befestigt. In der Nähe der
hinteren Hitzeschildbefestigung 13 ist die Hohlwelle 1
mit über den Umfang verteilten Bohrungen 5 versehen, die
dem Eintritt der Kühlluft in den ringförmigen Hohlraum 6
dienen. Die hinterste Rotorscheibe 3 ist nahe dem äußeren
Rand mit über den Umfang verteilten axialen Bohrungen 7
versehen, welche den Hohlraum 6 mit dem Raum zwischen den
letzten zwei Rotorscheiben 3, 14 verbinden.
Wie anhand Fig. 2 verdeutlicht, kann der konisch sich
verjüngende Teil der Hohlwelle 1 außen mit schaufelartigen
Rippen 9 versehen sein. Dabei können, wie in Fig. 3 veran
schaulicht, die Rippen 9 in Umfangsrichtung gekrümmt sein.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Hitze
schild 4 nur den vorderen Teil der Hohlwelle 1 und den
äußeren Teil der Rotorscheibe 3 abschirmt. Dabei ist auf
dem Hitzeschild 4 eine Gleitfläche 10 für eine am Innen
gehäuse 11 befestigte Umfangsdichtung 12 vorgesehen.
Die Hohlwelle 1 ist mit über dem Umfang verteilten Boh
rungen 5 a versehen, die den zwischen Hohlwelle 1 und Hitze
schild 4 liegenden ringförmigen Hohlraum 6 mit dem inner
halb der Hohlwelle 1 liegenden Raum verbindet. Über axiale
Bohrungen 7 ist der Hohlraum 6 mit dem Raum zwischen den
Rotorscheiben 3, 14 verbunden.
Claims (6)
1. Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Hochdruckverdichter,
dessen Rotor im wesentlichen als Hohlwelle ausgeführt
ist, wobei die Hohlwelle hinter der letzten Laufradscheibe
des Hochdruckverdichters einen konisch sich verjüngenden
Abschnitt aufweist, und mit einer Anordnung zur Kühlung
des Hochdruckverdichters durch Luftzufuhr vom Niederdruck
verdichter, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) Ein konischer Hitzeschild (4) ist radial außerhalb des konisch sich verjüngenden Abschnitts der Hohlwelle (1) an der Rotorscheibe (3) der letzten Verdichterstufe und stromabwärts an der Hohlwelle (1) befestigt;
- b) die Hohlwelle (1) ist nahe der stromabwärts liegenden Hitzeschildbefestigung (13) mit über dem Umfang ver teilten radialen Bohrungen (5) versehen, durch welche die vom Niederdruckverdichter kommende Kühlluft in den ringförmigen Hohlraum (6) einströmen kann;
- c) die Rotorscheibe (3) der letzten Hochdruckverdichter stufe ist nahe dem äußeren Rand mit axialen Bohrungen (7) versehen, welche von der im Hohlraum (6) befind lichen Kühlluft durchströmt werden;
- d) der ringförmige Hitzeschild (4) überdeckt den gesamten Schaufelfußbereich (15) der hintersten Verdichter schaufeln (8), erstreckt sich radial nach außen bis zu den Füßen der Schaufeln (8).
2. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Hitzeschild (4) nach innen gekrümmt
ist.
3. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der äußeren Seite des konisch
geformten Teils der Hohlwelle (1) mehrere in axialer Rich
tung verlaufende, über den Umfang verteilte schaufelartige
Rippen (9) angebracht sind.
4. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Rippen (9) in Umfangsrichtung ge
krümmt sind.
5. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß nur ein nahe der Rotorscheibe (3)
befindlicher Abschnitt der Hohlwelle (1) vom ringförmigen
Hitzeschild (4) umgeben ist.
6. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Hitzeschild (4) mit einer Gleit
fläche (10) versehen ist, auf der eine am Innengehäuse
(11) befestigte Umfangsdichtung (12) läuft.
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