DE3713923C2 - Kühlluft-Übertragungsvorrichtung - Google Patents
Kühlluft-ÜbertragungsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlluft-Übertragungs
vorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Kühlluft-Über
tragungsvorrichtung ist aus der US-PS 2 988 325 bekannt.
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 Temperaturen, 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 eine
ringförmigen Dichtung großen Durchmessers etwas stromaufwärts von
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.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlluft-Übertragungs
vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten,
daß ohne große und schwere Dichtungen eine leckarme und
hocheffiziente Übertragung von Kühlluft zum Laufrad zur
Kühlung ihrer Laufschaufeln ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüche angegeben.
Die Erfindung und durch sie erzielbare Vorteile werden nun
anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungs
beispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Längsschnitt eine 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 Kühlluft-Übertragungsvorrichtung 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 Brennkainmer 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 strömen 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.
Hochdruckturbine 20 strömen, um den Verdichter 16 über eine Verbindungswelle 34 anzutreiben. Die Verbrennungsgase strömen 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 verdichteten Einlaßluft 32, die von
dem Verdichter 16 abgegeben wird, wird als Druckkühlluft
36 (Fig. 2) zum Kühlen der Rotorteile benutzt, welche von den
Verbrennungsabgasen 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 Kühlluft-Übertragungsvorrichtung 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 76a bzw. 76b von benachbarten
Leitschaufeln 76 legen Einlaß- und Auslaßquerschnitte A1
bzw. A2 fest. Der Einlaßquerschnitt A1 ist geeignet größer
bemessen als der Auslaßguerschnitt A2, 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 und zum 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 (Pfeil 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
senken, 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 verkleinert 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 gesenkten
Kühllufttemperatur am 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 anderen Ausführungsform der Kühl
luft-Übertragungsvorrichtung 12 wird gemäß der Darstellung
in Fig. 2 ein zweiter Teil 36A der verdichtetem
Kühlluft 36 zu einem Entwirbler 62 geleitet, um
die Strömungsrichtung der Kühlluft 36A aerodynamisch zu
ändern und die Luft in einen Ringraum 64 zu leiten, der
innen in 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 36A zu verkleinern
um sie der Tangentialgeschwindigkeit der
Hochdruckturbinenscheibe 22 anzupassen und dabei ihren
Drehimpuls aufrechtzuerhalten. Die Kühlluft 36A wird dann
durch eine Reihe von Löchern 65 zu einem zweiten
umlaufenden Einlaufkranz 66 geleitet. Der zweite
Einlaufkranz 66 dient zum Leiten der Kühlluft 36A in eine
Richtung, die zu der Niederdrückturbinenscheibe 28 im
wesentlichen tangential ist. Der Einlaufkranz 66 entnimmt
ebenfalls einen Teil der in der Kühlluft 36A 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 Senkung der Kühllufttemperatur erreicht. Die
gesenkte Kühllufttemperatur gestattet eine Verkleinerung 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 36A insgesamt aufrechtgehalten, während die
Tangentialgeschwindigkeit bis zum Erreichen des zweiten
ringförmigen Laufrades 68 abnimmt, wo die
Tangentialgeschwindigkeiten der Kühlluft 36A und der
Niederdruckturbinenscheibe 28 im wesentlichen gleich sind.
Das Laufrad 68 ist an der Niederdruckturbinenscheibe 28
befestigt und mit Kanälen 70 versehen, durch die hierdurch die
Kühlluft 36A zu dem Rand der
Niederdruckturbinenscheibe 28 und dann zu den
Niederdruckturbinenlaufschaufeln 30 strömt. 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 (4)
1. Kühlluft-Übertragungsvorrichtung für ein Gastur
binentriebwerk mit wenigstens einer Turbinenscheibe, von
der aus innengekühlte Laufschaufeln radial in eine heiße
Gasströmung ragen, und mit einem Verdichter zur Lieferung
von Druckkühlluft, wobei die Kühlluft-Übertragungs
vorrichtung, getrennt von der heißen Gasströmung, Kühlluft
von dem Verdichter zur Turbinenscheibe überträgt,
gekennzeichnet durch:
eine Einlaufeinrichtung (44; 66), die die Kühlluft beschleunigt und im wesentlichen tangential auf die Turbinenscheibe (22; 28) richtet,
ein radiales Laufrad (46; 68), das an der Turbinen scheibe (22; 28) befestigt ist und mehrere radiale Strömungs kanäle (58;70) aufweist, die die von der Einlaufeinrichtung (44; 66) empfangene Kühlluft mit erhöhtem Druck zu Kühlkanälen in den Laufschaufeln (24; 30) leiten, wobei zwischen dem stromabwärtigen Ende der Einlaufein richtung (44; 66) und dem stromaufwärtigen Ende der radialen Strömungskanäle (58; 70) des Laufrades (46; 68) eine ring förmige Luftdichtung (48; 72) zwischen dem feststehenden Turbinenteil (50) und der umlaufenden Turbinenscheibe (22; 28) angeordnet ist.
eine Einlaufeinrichtung (44; 66), die die Kühlluft beschleunigt und im wesentlichen tangential auf die Turbinenscheibe (22; 28) richtet,
ein radiales Laufrad (46; 68), das an der Turbinen scheibe (22; 28) befestigt ist und mehrere radiale Strömungs kanäle (58;70) aufweist, die die von der Einlaufeinrichtung (44; 66) empfangene Kühlluft mit erhöhtem Druck zu Kühlkanälen in den Laufschaufeln (24; 30) leiten, wobei zwischen dem stromabwärtigen Ende der Einlaufein richtung (44; 66) und dem stromaufwärtigen Ende der radialen Strömungskanäle (58; 70) des Laufrades (46; 68) eine ring förmige Luftdichtung (48; 72) zwischen dem feststehenden Turbinenteil (50) und der umlaufenden Turbinenscheibe (22; 28) angeordnet ist.
2. Kühlluft-Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Luftdichtung
(48; 72) eine Labyrinth-Dichtung ist.
3. Kühlluft-Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (46; 68) an der
Turbinenscheibe (22; 28) an dem radial äußeren Umfang durch
eine durch eine mit einem Flansch versehene Wand (52) und
an dem radial inneren Umfang durch einen Halterungsring
(56) befestigt ist, der mit dem Laufrad (46; 68) und der
Turbinenscheibe (22; 28) in Eingriff steht.
4. Kühlluft-Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
eine zweite mit Laufschaufeln versehene Turbinenscheibe
(28) koaxial zur ersten Turbinenscheibe (22) und mit
Abstand stromabwärts davon angeordnet ist
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Teil (36A) der Kühlluft (36) aus der Einlauf einrichtung (44) zu einem Entwirbler (62) geleitet wird;
ein zweites radiales Laufrad (68) diesen Teil (36A) der Kühlluft (36) von dem Entwirbler (62) empfängt und zu den zweiten Laufschaufeln (30) fördert, wobei auch das zweite Laufrad (68) mehrere radiale Strömungskanäle (70) zum Empfangen der Kühlluft (36A) und zum Fördern derselben zu den zweiten Laufschaufeln (30) aufweist, wobei der zweite Teil (36A) der Kühlluft (36) durch eine zweite Einlaufeinrichtung (66) beschleunigt und auf das zweite Laufrad (68) gerichtet wird und die zweite Einlauf einrichtung (66) an der ersten Turbinenscheibe (22) befestigt ist und einen Teil der in dem zweiten Teil (36A) der Kühlluft (36) enthaltenen Druckenergie entnimmt für einen Drehantrieb der ersten Turbinenscheibe (22).
ein Teil (36A) der Kühlluft (36) aus der Einlauf einrichtung (44) zu einem Entwirbler (62) geleitet wird;
ein zweites radiales Laufrad (68) diesen Teil (36A) der Kühlluft (36) von dem Entwirbler (62) empfängt und zu den zweiten Laufschaufeln (30) fördert, wobei auch das zweite Laufrad (68) mehrere radiale Strömungskanäle (70) zum Empfangen der Kühlluft (36A) und zum Fördern derselben zu den zweiten Laufschaufeln (30) aufweist, wobei der zweite Teil (36A) der Kühlluft (36) durch eine zweite Einlaufeinrichtung (66) beschleunigt und auf das zweite Laufrad (68) gerichtet wird und die zweite Einlauf einrichtung (66) an der ersten Turbinenscheibe (22) befestigt ist und einen Teil der in dem zweiten Teil (36A) der Kühlluft (36) enthaltenen Druckenergie entnimmt für einen Drehantrieb der ersten Turbinenscheibe (22).
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