DE3713923A1 - Kuehlluftuebertragungsvorrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von Gasturbinentriebwerken und betrifft insbesondere eine verbesserte Kühlung der Turbinenlaufschaufeln von Gasturbinentriebwerken.

Gasturbinentriebwerke weisen üblicherweise einen Verdichter auf, der die Luft unter Druck setzt, welche zum Aufrechterhalten der Verbrennung des Brennstoffes zum Erzeugen eines Heißgasstroms benötigt wird. Dieser Heißgasstrom treibt eine Turbine an, die mit dem Verdichter verbunden ist, und wird dann benutzt, um Schub zu erzeugen oder eine Abtriebswelle des Triebwerks anzutreiben. Zum Erzielen höherer Betriebswirkungsgrade und höherer Ausgangsleistungen ist der Heißgasstrom, wenn er durch die Turbine hindurchgeht, häufig auf einer Temperatur, die die physikalischen Möglichkeiten der Werkstoffe, aus denen die Turbinen hergestellt sind, überschreiten, insbesondere hinsichtlich der hohen Beanspruchungen, die auf den Turbinenrotor ausgeübt werden. Das hat zu vielen Vorschlägen bezüglich Kühlsystemen für die Turbine geführt, insbesondere für diejenigen Teile, die dem Heißgasstrom ausgesetzt sind. Im allgemeinen ist es üblich, relativ kalte Luft aus dem Triebwerksverdichter zu den Turbinenlaufschaufeln zu leiten, und zwar auf einem von dem Heißgasstrom getrennten Weg, um für die erforderliche Kühlung der Laufschaufeln zu sorgen. Eines der Probleme, das bei solchen Kühlsystemen auftritt, ist jdoch die Vorrichtung zum Fördern der Kühlluft aus dem Verdichter zu der Turbine, die sich mit hoher Drehzahl dreht, und dann zu den Turbinenlaufschaufeln selbst.

Ein System, das benutzt wird, um den Turbinenlaufschaufeln Kühlluft zuzuführen, beinhaltet die Verwendung einer ringförmigen Dichtung großen Durchmessers etwas vorderhalb der Turbinenscheibe, um eine Kammer zwischen der ringförmigen Dichtung und der Scheibe zu bilden, die Kühlluft aus dem Verdichter empfängt und sie zu den Turbinenlaufschaufeln fördert, welche an dem Rand der Turbinenscheibe befestigt sind. Systeme dieses Typs sind jedoch wegen des großen Durchmessers der ringförmigen Dichtung von Haus aus schwer, und es kommt bei ihnen auch zu sehr starker Luftleckage. Andere Systeme beinhalten die Verwendung von ringförmigen Dichtungen relativ kleineren Durchmessers, um entsprechend kleinere ringförmige Kammern zwischen der Dichtung und der Turbinenscheibe zu bilden, wobei die Kühlluft mit Hilfe eines Laufrades, das an der Dichtung längs der Oberfläche der Scheibe befestigt ist, aus der kleineren ringförmigen Kammer zu den Turbinenlaufschaufeln geleitet wird. Bei Systemen dieses Typs wird zwar ein Teil der Leckage vermieden, die sich bei der Verwendung der größeren ringförmigen Dichtungen ergibt, sie sind aber noch relativ schwer und erfordern, daß die ringförmige Dichtung eine relativ große Belastung in Form der Laufradeinheit zu tragen hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes System zum Fördern von Kühlluft zu den Turbinenlaufschaufeln eines Gasturbinentriebwerks zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung ein verbessertes System zum Fördern von Kühlluft zu den Turbinenlaufschaufeln geschaffen werden, das die Notwendigkeit von ringförmigen Dichtungen großen Durchmessers vermeidet und die Dichtungsluftleckage reduziert.

Ferner soll durch die Erfindung ein verbessertes System zum Fördern von Kühlluft zu den Turbinenlaufschaufeln geschaffen werden, welches das Anbringen von Kühllöchern oder -schlitzen direkt in der Scheibe selbst vermeidet und dadurch die bauliche Festigkeit der Scheibe aufrechterhält. Außerdem soll durch die Erfindung ein verbessertes System zum Fördern von Kühlluft von der Hochdruckturbinenscheibe zu der Niederdruckturbinenscheibe geschaffen werden, welches die Notwendigkeit eines Verdichterzwischenstufenluftversorgungssystems und von äußeren Rohrleitungen vermeidet.

Die Erfindung ist zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk vorgesehen, das eine Turbinenscheibe enthält, von der Laufschaufeln radial in einen Heißgasstrom hinein vorstehen, einen Verdichter zum Liefern von unter Druck stehender Kühlluft und eine Kühlluftübertragungsvorrichtung zum Übertragen der Kühlluft von dem Verdichter auf die Turbine. Die Kühlluftübertragungsvorrichtung weist eine Einlaufeinrichtung auf, die die Kühlluft in eine Richtung leitet, welche zu der Turbinenscheibe im wesentlichen tangential ist, und eine Radiallaufradeinrichtung zum Empfangen der Kühlluft und zum Fördern derselben zu den Laufschaufeln.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält die Kühlluftübertragungsvorrichtung eine zweite Einlaufeinrichtung, welche einen zweiten Teil der Kühlluft in eine Richtung leitet, die zu einer Richtung einer zweiten Turbinenscheibe insgesamt tangential ist, und eine zweite Radiallaufradeinrichtung, welche den zweiten Teil der Kühlluft empfängt und zu den Laufschaufeln fördert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. l im Längsschnitt ein Gasturbinentriebwerk mit Hoch- und Niederdruckturbinenscheiben,

Fig. 2 eine Teilansicht, die die Kühlluftübertragungsvorrichtung zeigt,

Fig. 3 eine Teilschnittansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 2, die den Einlaufkranz und das Laufrad nach der Erfindung zeigt, und

Fig. 4 eine Teilschnittansicht nach der Linie 4-4 in Fig. 2, die das Laufrad nach der Erfindung zeigt.

Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Axialgasturbinentriebwerk, das eine insgesamt bei 12 angeordnete Kühlluftübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Das Triebwerk 10 hat in Strömungsrichtung hintereinander einen Fan 14, einen Verdichter 16, eine Brennkammer 18, eine Hochdruckturbine 20, welche eine Hochdruckturbinenscheibe 22 aufweist, die mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Hochdruckturbinenlaufschaufeln 24 aufweist, welche sich von ihr aus radial nach außen erstrecken, und eine Niederdruckturbine 26, welche eine Niederdruckturbinenscheibe 28 aufweist, die mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Niederdruckturbinenlaufschaufeln 30 aufweist, welche sich von ihr aus radial nach außen erstrecken.

Im herkömmlichen Betrieb wird Einlaßluft 32 durch den Verdichter 16 unter Druck gesetzt. Ein überwiegender Teil der Einlaßluft 32 wird dann in die Brennkammer 18 geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt wird, um Verbrennungsgase relativ hohen Druckes zu erzeugen, die zu der Hochdruckturbine 20 strömen, um den Verdichter 16 über eine Verbindungswelle 34 anzutreiben. Die Verbrennungsgase gehen dann durch die Niederdruckturbine 26, um einen Niederdruckverdichter (nicht dargestellt) und/oder den Fan 14 über eine Verbindungswelle 15 anzutreiben, woraufhin sie aus dem Triebwerk 10 abgegeben werden.

Ein Teil der unter Druck gesetzten Einlaßluft 32, die von dem Verdichter 16 abgegeben wird, wird als Druckkühlluft 36 (Fig. 2) zum Kühlen der Rotorteile benutzt, welche durch die Verbrennungsabgase umgeben sind. Die Kühlluft 36 wird durch einen ringförmigen inneren Kanal 38, der durch ein inneres Brennkammergehäuse (nicht dargestellt) und durch eine Turbinenleitschaufelkranztragvorrichtung 40 und 42 gebildet ist, zu der Luftübertragungsvorrichtung 12 geleitet.

Die Luftübertragungsvorrichtung 12 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, weist einen ringförmigen Einlaufkranz 44 auf und dient zum Leiten der Kühlluft 36 in eine Richtung, welche zu der Hochdruckturbinenscheibe 22 insgesamt tangential ist, und in ein Radiallaufrad 46, das an der Hochdruckturbinenscheibe 22 an Stellen A und B befestigt ist.

Der ringförmige Einlaufkranz 44 weist gemäß der Darstellung in Fig. 3 Leitschaufeln 76 auf, die auf herkömmliche Weise dimensioniert sind, zum Beschleunigen der Kühlluft 36 auf eine Geschwindigkeit, die im wesentlichen gleich der Tangentialgeschwindigkeit des Laufrades 46 ist. Die Vorder- und Hinterkanten 76 a bzw. 76 b von benachbarten Leitschaufeln 76 legen Einlaß- und Auslaßquerschnitte A 1 bzw. A 2 fest. Der Einlaßquerschnitt A 1 ist geeignet größer bemessen als der Auslaßquerschnitt A 2, damit die Kühlluft 36 geeignet beschleunigt wird.

Die Kühlluft 36 wird dann durch das Laufrad 46 zu den Hochdruckturbinenlaufschaufeln 24 geleitet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, um diese zu kühlen. Eine ringförmige Labyrinthdichtung 48 ist auf der vorderen Seite des Laufrades 46 angeordnet, um eine Luftabdichtung zwischen der feststehenden Konstruktion 50 und der rotierenden Hochdruckturbinenscheibe 22 sowie dem rotierenden Laufrad 46 zu schaffen. Das Laufrad 46 ist mit ringförmigen Flanschwänden 52 und 54 an seinem inneren bzw. äußeren Umfang versehen. Die Flanschwand 52 dient zweckmäßig zur Befestigung des Laufrades 46 an der Hochdruckturbinenscheibe 22 mittels eines ringförmigen Halteringes 56, wogegen die äußere Flanschwand 54 gegen die Scheibe 22 und den Fuß der Hochdruckturbinenlaufschaufel 24 paßt und ein Dichtelement an deren Innenumfang bildet.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 4 besteht das radiale Laufrad 46 vor allem aus einer ringförmigen Scheibe, die radiale Kanäle 58 hat, zum Vergrößeren des Druckes durch zentrifugales Pumpen undzum Fördern der Kühlluft 36 zu den Turbinenlaufschaufeln 24, die in Fig. 2 gezeigt sind. Die Kanäle 58 in dem Laufrad 46 sind selbstverständlich an beiden Enden offen, um den Durchtritt der Luft zu gestatten, und ansonsten vollständig geschlossen. Die Kanäle 58 können tatsächlich Kanäle mit elliptischem, rundem oder anders geformtem Querschnitt sein, welche voneinander nur durch eine dünne radiale Zwischenwand oder einen dünnen radialen Steg 60 getrennt sind, um die bauliche Festigkeit aufrechtzuerhalten und das Laufrad 46 zu bilden. Es ist klar, daß die Querschnittsform des Laufrades 46 einen derartigen Durchlaß schaffen sollte, daß die verlangte Menge an Druckkühlluft 36 (gezeigt in Fig. 2) zu den Hochdruckturbinenlaufschaufeln 24 (gezeigt in Fig. 2) mit ausreichend niedrigem Druckverlust gefördert wird.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 gestattet die Einlaufkranz/Laufrad-Kombination nach der Erfindung, den Kühlluftdruck an dem Einlaufkranzauslaß unter den Wert zu reduzieren, der ohne ein Laufrad 46 erforderlich ist. Dieser niedrigere Druck ergibt eine geringere Luftleckageströmung durch die ringförmige Labyrinthdichtung 48 mit weniger nachteiliger Auswirkung auf den Turbinenwirkungsgrad. Darüber hinaus gestattet der niedrigere Einlaufkranzauslaßdruck ein größeres Einlaufkranzdruckverhältnis und eine höhere Einlaufkranzauslaß-Mach-Zahl. Die sich daraus ergebende Erhöhung der Tangentialströmungsgeschwindigkeit der den Einlaufkranz 44 verlassenden Luft reduziert die Arbeit, die durch die Turbine an der Kühlluft 36 geleistet werden muß, um die Strömung in die Laufradkanäle 58 zu bringen, welche in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind.

Wenn die Tangentialgeschwindigkeit der den Einlaufkranz 44 verlassenden Luft größer als die Geschwindigkeit der Turbinenscheibe 22 ist, wird an der Scheibe Arbeit verrichtet, die zu einer Turbinenwirkungsgradverbesserung plus dem zusätzlichen Vorteil einer reduzierten Kühllufttemperatur an dem Eingang der Leitschaufeln 24 führt. Die Einlaufkranz/Laufrad-Kombination eliminiert außerdem jede Fehlanpassung zwischen der Scheibengeschwindigkeit und der Kühllufttangentialgeschwindigkeit am Eingang der Laufschaufeln 24, wodurch Druckverluste eliminiert werden, die mit dem Einbringen der Strömung in die Laufschaufeln 24 verbunden sind.

In einer alternativen Ausführungsform der Turbinenkühl­ luftübertragungsvorrichtung 12 wird gemäß der Darstellung in Fig. 2 ein zweiter Teil 36 A der unter Druck gesetzten Kühlluft 36 zu einem Entwirbler (deswirler) 62 geleitet, um die Strömungsrichtung der Kühlluft 36 A aerodynamisch zu ändern und die Luft in einen Ringraum 64 zu leiten, der einwärts der Hochdruckturbinenscheibe 22 angeordnet ist. Der Entwirbler 62 ist an der Verbindungswelle 34 direkt befestigt, so daß er sich exakt auf dieselbe Weise dreht. Dieses Merkmal gestattet dem Entwirbler 62, die Tangentialgeschwindigkeit der Kühlluft 36 A zu reduzieren, um sie der Tangentialgeschwindigkeit der Hochdruckturbinenscheibe 22 anzupassen und dabei ihren Drehimpuls aufrechtzuerhalten. Die Kühlluft 36 A wird dann durch eine Reihe von Löchern 65 zu einem zweiten umlaufenden Einlaufkranz 66 geleitt. Der zweite Einlaufkranz 66 dient zum Leiten der Kühlluft 36 A in eine Richtung, die zu der Niederdruckturbinenscheibe 28 im wesentlichen tangential ist. Der Einlaufkranz 66 entnimmt ebenfalls einen Teil der in der Kühlluft 36 A enthaltenen Druckenergie und wandelt ihn in Arbeit um, um den Antrieb der Hochdruckturbinenscheibe 22 zu unterstützen. Durch Übertragen eines Teils der Energie der Luft auf die Turbine wird eine Reduktion der Kühllufttemperatur erreicht. Die reduzierte Kühllufttemperatur gestattet eine Reduktion der Kühlluftströmung, wodurch der Turbinenwirkungsgrad und die Triebwerksleistung verbessert werden.

Zwischen dem zweiten Einlaufkranz 66 und dem Einlaß eines zweiten ringförmigen Laufrades 68 wird der Drehimpuls der Kühlluft 36 A insgesamt aufrechtgehalten, während die Tangentialgeschwindigkeit bis zum Erreichen des zweiten ringförmigen Laufrades 68 abnimmt, wo die Tangentialgeschwindigkeiten der Kühlluft 36 A und der Niederdruckturbinenscheibe 28 im wesentlichen gleich sind.

Das Laufrad 68 ist an der Niederdruckturbinenscheibe 28 befestigt und mit Kanälen 70 versehen, durch die die Kühlluft 36 A hindurch zu dem Rand der Niederdruckturbinenscheibe 28 und dann zu den Niederdruckturbinenlaufschaufeln 30 geht. Eine nach vorn weisende Dichtung 72 ist auf der vorderen Seite des Laufrades 68 vorgesehen und berührt eine Dichtung, die zwischen der Hochdruckturbinenscheibe 22 und der Niederdruckturbinenscheibe 28 befestigt ist.

Die Verwendung des radialen Laufrades nach der Erfindung hat den Vorteil, daß jede Notwendigkeit von schweren Dichtungen großen Durchmessers vermieden und die Luftleckage minimiert wird, indem die Dichtungsvorkehrungen relativ nahe bei den zentralen, konzentrischen Wellen des Triebwerks getroffen werden. Darüber hinaus gestattet die Verwendung einer Einlaufkranz/Laufrad-Kombination, Kühlluft zu umlaufenden Turbinenlaufschaufeln zu leiten, ohne Kühllöcher oder -schlitze direkt in der Rotorscheibe selbst vorzusehen, wodurch die bauliche Festigkeit der Scheibe aufrechterhalten wird. Weiter gestattet die Einlaufkranz/Laufrad-Kombination der Niederdruckturbine, Kühlluft der Niederdruckturbine zuzuführen, ohne daß ein Verdichterzwischenstufenluftversorgungssystem und äußere Rohrleitungen erforderlich sind.

Das Laufrad nach der Erfindung beseitigt außerdem die bekannten Praktiken, Kühllöcher oder -schlitze direkt in der Turbinenscheibe selbst vorzusehen, durch die die Konstruktion geschwächt wird, und gleichzeitig beseitigt sie den Nachteil, die Laufradkonstruktion oder ihr Äquivalent an einem gesonderten Teil mit nur einer Flanschwand- oder scheibenartigen Konstruktion zu befestigen. Die Erfindung bietet daher den wesentlichen Vorteil einer erhöhten Triebwerksleistung, einer größeren baulichen Festigkeit und einer reduzierten Luftleckage.

Die Abmessungen, proportionalen und baulichen Beziehungen, die aus den Zeichnungen hervorgehen, dienen lediglich als Beispiel und entsprechen nicht den tatsächlichen Abmessungen oder proportionalen und baulichen Beziehungen, die bei der Turbinenkühlluftübertragungsvorrichtung nach der Erfindung benutzt werden.

Claims (16)

1. Kühlluftübertragungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk (10), das eine Turbinenscheibe (22) mit radial in einen Heißgasstrom vorstehenden Laufschaufeln (24) und einen Verdichter (16) zum Liefern von unter Druck stehender Kühlluft (36) enthält, zum Übertragen der Kühlluft (36) von dem Verdichter (16) auf die Turbinenscheibe (22) getrennt von dem Heißgasstrom, gekennzeichnet durch:
eine Einlaufeinrichtung (44) zum Leiten der Kühlluft (36) in eine Richtung, die zu der Turbinenscheibe (22) im wesentlichen tangential ist; und
ein radiales Laufrad (46) zum Empfangen der Kühlluft (36) und zum Fördern derselben zu den Laufschaufeln (24).

2. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (46) an der Turbinenscheibe (22) befestigt ist.

3. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (46) mehrere radiale Kanäle (58) zum Empfangen der Kühlluft (36) und zum Fördern derselben zu den Laufschaufeln (24) aufweist.

4. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Kanäle (58) in dem Laufrad (46) eingeschlossen sind.

5. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufeinrichtung (44) mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Leitschaufeln (76) aufweist zum Leiten der Kühlluft (36) in eine Richtung, die zu der Turbinenscheibe (22) im wesentlichen tangential ist.

6. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (46) eine ringförmige Luftabdichtung (48) aufweist.

7. Kühlluftübertragungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk (10), das einen Verdichter (16) zum Liefern von unter Druck stehender Kühlluft (36) sowie eine erste und eine zweite Turbinenscheibe (22, 28), die mit einer ersten bzw. einer zweiten, in koaxialem Abstand angeordneten Welle (15, 34) verbunden sind, die den Verdichter (16) mit den Turbinenscheiben (22, 28) verbinden, enthält, zum Übertragen der Kühlluft von dem Verdichter (16) auf die Turbinenscheiben (22, 28) getrennt von dem Heißgasstrom, gekennzeichnet durch:
Einlaufeinrichtungen (44, 66) zum Leiten eines ersten Teils der Kühlluft (36) im wesentlichen tangentialzu der ersten Turbinenscheibe (22) und zum Leiten eines zweiten Teils (36 A) der Kühlluft zu einem Entwirbler (62);
ein erstes radiales Laufrad (46) zum Empfangen des ersten Teils der Kühlluft (36) und zum Fördern desselben zu den Laufschaufeln (24); und
ein zweites radiales Laufrad (68) zum Empfangen des zweiten Teils (36 A) der Kühlluft (36) und zum Fördern desselben zu den Laufschaufeln (30).

8. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Laufrad (46) an der ersten Turbinenscheibe (22) und das zweite Laufrad (68) an der zweiten Turbinenscheibe (28) befestigt ist.

9. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Laufrad (46, 68) jeweils mehrere radiale Kanäle (58, 70) zum Empfangen der Kühlluft (36) und zum Fördern derselben zu den Laufschaufeln (24, 30) aufweisen.

10. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Kanäle (58, 70) in das erste bzw. zweite Laufrad (46, 68) eingeschlossen sind.

11. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einlaufeinrichtung (44) mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Leitschaufeln (76) zum Leiten der Kühlluft (36) in einer zu der ersten Turbinenscheibe (22) im wesentlichen tangentialen Richtung aufweist.

12. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Entwirbler (62) mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Leitschaufeln aufweist zum Leiten des zweiten Teils (36 A) der Kühlluft (36) in einen Ringraum (64) und in eine Richtung, die zu einer Drehrichtung der ersten Turbinenscheibe (22) insgesamt tangential ist.

13. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (36 A) der Kühlluft (36) durch eine zweite Einlaufeinrichtung (66) zu dem zweiten ringförmigen Laufrad (68) geleitet wird.

14. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einlaufeinrichtung (66) einen Teil der in dem zweiten Teil (36 A) der Kühlluft (36) enthaltenen Druckenergie entnimmt und in Arbeit umwandelt, um den Antrieb der ersten Turbinenscheibe (22) zu unterstützen.

15. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einlaufeinrichtung (66) den zweiten Teil (36 A) der Kühlluft (36) in eine zu der zweiten Turbinenscheibe (28) im wesentlichen tangentiale Richtung leitet.

16. Kühlluftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einlaufeinrichtung (66) mit der ersten Turbinenscheibe (22) umläuft.