DE4336143C2 - Kühlverfahren für Turbomaschinen - Google Patents

Description

Es ist beim Verdichtungsprozeß, insbesondere bei Radialverdich­ ter bekannt, das Arbeitsmittel zwischenzukühlen. Hierbei wird nach einer adiabaten Teilverdichtung das Arbeitsmittel aus dem Verdichter mittels eines Sammelgehäuses herausgeführt und über Rohrleitungen einem externen Wärmetauscher zugeführt, wo es ab­ gekühlt wird. Anschließend wird das abgekühlte Arbeitsmittel über Rohrleitungen und Anschlußgehäuse einem weiteren Verdichter zugeführt, wo dann eine weitere adiabate Verdichtung erfolgt.

Dieses Verfahren ist aus Gewichts- und Komplexitätsgründen im wesentlichen nur auf industrielle Axialverdichter sowie auf sta­ tionäre Gasturbinen beschränkt. In Fluggasturbinen fand dieses Verfahren bisher praktisch keine Anwendung, da es ein erhöhtes Triebwerksgewicht, größere Komplexität sowie eine größere Trieb­ werkslänge bedingt. Ferner ergibt sich ein erhöhter Widerstand im Fluge, eine höhere Betriebsgefährdung und eine aufwendigere Triebwerkswartung. Schließlich stellt sich ein höherer Druckver­ lust des Arbeitsmittels infolge des Wärmetauschers und der Rohr­ leitungen ein.

Aus der DE-AS 14 76 892 ist eine gattungsgemäße Fluggasturbine mit Einrichtungen zur Kühlung von nicht-rotierenden Bauteilen einer Turbomaschine, bei der die Bauteile von einem Kühlmittel durchströmt werden. Dabei geht es jedoch ausschließlich um die Kühlung der Leitschaufeln, nicht jedoch um die Kühlung des Ar­ beitsmittels.

Die DE-OS 28 23 496 beschreibt eine Gasturbine mit sekundären Kühlungsmitteln, um die Turbinenschaufeln ausreichend zu kühlen, damit diese den Hochtemperatur-Verbrennungsgasen widerstehen können. Eine Kühlung des Arbeitsmittels ist weder beabsichtigt noch wünschenswert.

Die DE-PS 2 44 734 und die DE-PS 2 45 812 beschreiben Kühlvorrich­ tungen zur Kühlung von Kreiselverdichtern mit sehr kompliziert geformten, axial und radial verlaufenden Wärmeaustauschflächen.

Ausgehend von den oben genannten vorbekannten Kühlkonzepten liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße Fluggasturbine anzugeben, die sich durch einen erhöhten Ge­ samtwirkungsgrad, eine verbesserte Lebensdauer sowie ein günsti­ geres Emissionsverhalten auszeichnet. Dabei soll gleichzeitig der bauliche Aufwand gering gehalten werden. Daneben sollen heiße Bauteile der Fluggasturbine gekühlt werden, ohne daß eine gesamtwirkungsgrad-schädliche Kühlluftentnahme vom Verdichter erfolgen muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfin­ dungsgedankens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Genauer gesagt wird der Wärmeinhalt des Arbeitsmittels über Wär­ meleitung durch die Leitschaufeln entzogen und sodann von einem Kühlmittel konvektiv abgeführt. Für das Arbeitsmittel in der Fluggasturbine ist keine Änderung der Strömungsführung notwen­ dig.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß z. B. bei Verdichtungsprozessen das Arbeitsmittel gekühlt werden kann, wo dies mit der bisher bekannten "Zwischenkühlung" nicht möglich ist, oder zu aufwendig ist.

Eine Kühlung des Arbeitsmittels während der Verdichtung verringert die aufzuwendende Kompressionsarbeit. Es wird somit der Gesamtwirkungsgrad erhöht, da jede Energie, die bei der Verdichtung eingespart wird, als erhöhte Wellenleistung oder höherer Triebwerksschub zur Verfügung steht.

Bei einer verdichtergekühlten Fluggasturbine, mit gleicher Leistung wie bei einer ungekühlten, ist die Verdichterendtemperatur geringer und in der Brennkammer muß nicht mehr so hoch aufgeheizt werden. Dies ist vorteilhaft für die Lebensdauer der Heißteile der Gasturbine, wie Turbinenelemente, Brennkammer und Verdichterendstufen. Die niedrigere Brennkammertemperatur beeinflußt auch günstig das Emissionsverhalten, z. B. in Form von geringeren Stickoxyd-Werten!

Bei zukünftigen Fluggasturbinen mit sehr großem Nebenstromverhältnis wird im sogenannten Kerntriebwerk eine hohe Leistungsdichte gefordert, d. h. der Trend geht zu technisch gerade noch vertretbar hohen Werten in Gesamtverdichtung und Turbineneintrittstemperatur. Eine weitere Eigenschaft der Triebwerke mit sehr großem Nebenstromverhältnis ist die Tatsache, daß sie ein anderes Schubverhalten zwischen Reiseflugbedingung und Start/Steigbedingung aufweisen, als herkömmliche Triebwerke mit mäßigem Nebenstromverhältnis. Dies äußert sich u. a. darin, daß Triebwerke mit sehr großem Nebenstromverhältnis bei Reiseflugbedingung, also während einer langen Betriebsdauer, sehr hohe Turbineneintrittstemperaturen aufweisen; bei herkömmlichen Triebwerken mit mäßigem Nebenstromverhältnis tritt die hohe thermische Belastung nur während der relativ kurzen Zeit der Start- und ersten Steigphase auf. Die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung ist daher ideal für Triebwerke mit sehr hohem Nebenstrom, da durch die Wärmeabfuhr während der Verdichtung eine hohe Leistungsentfaltung im Kerntriebwerk erfolgen kann, während die Turbineneintritts­ temperatur dennoch in verträglichen Grenzen gehalten wird. Daneben kann wegen der niedrigeren Temperatur des Arbeitsmittels der Verdichter baulich kleiner ausgeführt werden.

Am Verdichteraustritt der Fluggasturbine wird ein Teil der Luft abgezweigt und zur Kühlung von Brennkammer- und Turbinenteilen verwendet. Da auch diese Kühlluft bei Verdichterkühlung eine niedrigere Temperatur besitzt, wird weniger Kühlluftmenge gebraucht, was zusätzlich zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades führt.

Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Merkmalen der Patentansprüche 2-3.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Mittellängsschnitt durch die obere Hälfte eines Hoch­ druckverdichters einer Fluggasturbine, vereinfachend nur 3-stufig gezeichnet, mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung.

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1, nämlich die schematische Darstellung einer einzelnen Leitschaufel mit schematischer Darstellung der Kühlkanäle im Inneren der Leitschaufel sowie eine bevorzugte Möglichkeit der Kühlmittel Zu- und Abfuhr.

Fig. 3 einen schematischen Mittellängsschnitt durch die obere Hälfte einer Fluggastur­ bine mit schematischer Darstellung der Kühlung des Arbeitsmittels im Nieder­ druckverdichter und Hochdruckverdichter sowie eine weitere Kühlanordnung zur Bauteilkühlung der Turbine und zur thermischen Steuerung des Turbinengehäuses.

Fig. 4 einen weiteren schematischen Mittellängsschnitt durch die obere Hälfte einer Fluggasturbine, wobei ein Teil des eigenen Arbeitsmittels (Luft) zur Kühlung des sich erwärmenden Arbeitsmittels im Niederdruckverdichter und Hochdruckverdichter verwendet wird. Gleichzeitig wird gezeigt, wie das Kühlmittel weiterhin zur Bauteilkühlung sowie zur thermischen Steuerung von Turbinenelementen dient, und das Kühlmittel anschließend zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades dem Gasturbinenprozeß wieder zugeführt wird.

Beim schematisch dargestellten Hochdruckverdichter in Fig. 1 bedeutet (1) die rotierende Hochdruckwelle, auf welcher die Laufschaufeln (La₁), (La₂), (La₃) mit den dazugehörigen Scheiben (S₁), (S₂), (S₃) sitzen. Zwischen den Laufschaufelreihen befinden sich die feststehenden, mit dem Verdichtergehäuse (2) verbundenen Leitschaufeln (Le₁), (Le₂), (Le₃).

Das Arbeitsmittel Luft tritt bei (3) in den Verdichter ein, wird dort komprimiert, wobei der Luft Wärme zugeführt wird, und verläßt den Verdichter bei (4). (5) bedeutet einen Zuführungskanal, um die Luft z. B. von einen stromaufwärts, nicht gezeichneten, Niederdruckverdichter zuzuleiten. Die aus Festigkeitsgründen notwendige Stützrippe in diesem Kanal wird mit (6) bezeichnet. Außerhalb des Verdichtergehäuses (2) befindet sich der mit Kühlmittel gefüllte Ringraum (R), der durch ein Gehäuse (7) nach außen abgegrenzt ist.

Für verschiedene Zwecke, Flugzeugkabinenbelüftung oder Kühlung von Nieder­ druckturbinenelementen, ist eine Verdichter-Zapfluft vorgesehen. Diese wird bei (Z) dem Verdichter entnommen, und mittels mehrere im Umfang verteilten Kanäle (K) durch den Kühlmittelringraum (R) geführt und in das Verdichter-Zapfluft-Sammelgehäuse (S) geleitet, wo es über die angedeutete Flanschverbindung (8) weitergeleitet werden kann.

Zur Kühlung der Verdichterbaugruppe wird ein Kühlmittel über die Zuleitung (K) in den Kühlmittelringraum (R) geleitet. Die Eintrittsstelle liegt bei (E). Von dort strömt das Kühlmittel unter Wärmeaufnahme bis zum Ausgang (A) und über die Rückleitung (M) zu einem Wärmetauscher (9), wo die in der Verdichterbaugruppe aufgenommene Wärme wieder abgegeben wird. Sodann beginnt der geschlossene Kühlmittelkreislauf von neuem. Der Wärmetauscher (9) kann bei der Fluggasturbine vorzugsweise mit den sehr kalten Außenbedingungen in Reiseflughöhe korrespondieren, d. h. die Wärme kann z. B. an dem kalten Treibstoff im Flügel, oder an die kalte Umgebungsluft abgegeben werden.

Der Wärmeaustausch zwischen Arbeitsmittel und Kühlmittel im Verdichterbereich erfolgt durch Wärmeleitung durch das Verdichtergehäuse (2) an dessen äußere Oberfläche, von wo die Wärme mittels Kühlmittel abgeführt wird. Die Wärmeleitung durch das Gehäuse (2) wird unterstützt durch die wie Kühlrippen wirkenden Leitschaufeln (Le₁) bis (Le₃) und durch die Stützrippen (6). Durch die bisher beschriebenen Kühlungsmaßnahmen erfolgt eine Kühlung des Arbeitsmittels Luft im Verdichterraum aber hauptsächlich nur in Wandnähe des Gehäuses (2), während die radial weiter innen strömende Luft kaum gekühlt wird. Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Leitschaufeln vorzugsweise in voller Länge "hohlgebohrt" werden bzw. hohl gefertigt werden und daß mittels einer Zu- und Ableitung durch das Gehäuse (2) das Kühlmittel durch die Kühlbohrungen (11) geleitet wird. In ähnlicher Weise können auch die Stützrippen (6) hohlgebohrt und vom Kühlmittel durchflossen werden. Zur einfachen Versorgung der in großer Anzahl vorhandenen Leitschaufeln mit Kühlmittel wird ferner erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Hohlkanäle in der Leitschaufel mit einem Strömungskörper (10) zu verbinden, der sich im Kühlmittelringraum (R) befindet.

Zur Erklärung wird hier auf Fig. 2 verwiesen; dort wird in schematischer Darstellung eine einzelne Leitschaufel des Verdichters gezeigt, z. B. Le₂. Die in der Schaufel verlaufenden Kühlkanäle werden mit (11) bezeichnet, wobei das Kühlmittel bei (X) in die Leitschaufel eintritt, und bei (Y) wieder herausgeführt wird. Der Strömungskörper (10) kann nach Art eines "Pitot"-Rohres ausgebildet sein, er besitzt Stellen, an denen das vorbeiströmende Kühlmittel einen hohen Druck ausübt (12) (Staupunkt) und Stellen, an denen das Kühlmittel einen geringen Druck an der Oberfläche erzeugt (13). Werden, wie gezeigt, die Stellen mit hohem/niedrigem Strömungsdruck (12)/(13), mit dem Leitschaufelkühlkanaleintritt/-austritt (X)/(Y) verbunden, so strömt bei genügend hoher Kühlmittelfließgeschwindigkeit in R das Kühlmittel durch die Leitschaufel. Die Leitschaufel wiederum, wird an ihrer Außenseite intensiv vom heißen Arbeitsmittel Luft umströmt, außerdem herrscht im Hochdruckverdichter ein relativ hohes Druckniveau, so daß ein guter Wärmeübergang Luft - Leitschaufel gewährleistet ist. Dies trifft im übrigen auch auf den Wärmeübergang Luft - Verdichterinnengehäuse zu! Schließlich wird die Wärme mittels Wärmeleitung in der metallischen Leitschaufel auf die innen liegenden Kühlkanäle (11) übertragen und mit dem Kühlmittel abgeführt.

Der Strömungskörper (10) kann auch eine einfachere Form haben; er muß lediglich Stellen mit hohen/niedrigen Strömungsdruck aufweisen.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 1 dient auch einer wirkungsvollen Kühlung der oben erwähnten Verdichter-Zapfluft. Die in Fig. 1 bei (Z) dem Verdichter entnommene Luft stammt entnahmebedingt vorwiegend aus Gehäuse (2) - nahen Luftschichten; diese sind aber wegen der stromaufwärts erfolgten, intensiven Wandkühlung bereits gut abgekühlt. Schließlich wird die Zapfluft in der gezeigten Anordnung ein weiteres mal gekühlt, indem sie im Zapfluftsammelbehälter (S) wiederum über eine wärmetauschende Fläche (F), welche den Zapfluftbehälter (S) und Kühlmittelbehälter (R) trennt, geleitet wird. Die Temperatur der Verdichter-Zapfluft kann somit wirkungsvoll herabgesetzt werden.

Die ersten Stufen der Leitschaufeln eines Verdichters werden meist zur aerodynamischen Regelung mit einer Verstellmöglichkeit gebaut. Auch diese verstellbaren Leitschaufeln können nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag vom Kühlmittel durchflossen werden, indem sie entweder mit einer separaten beweglichen Zu- und Ableitung für das Kühlmittel versehen werden, oder indem sich der Antriebs- und Verstellmechanismus innerhalb des Kühlmittelraumes (R) befinden.

Damit das Kühlmittel die erforderliche Fließgeschwindigkeit erhält, wird es von der Pumpe (P) in Umlauf versetzt. Weiterhin sind im Kühlkreislauf Schließventile (V₁) und (V₂) vorgesehen, welche bei einem Leitschaufelbruch ein schnelles Schließen der Kühlmittelleitungen (K) und (M) ermöglichen.

Die im Anspruches 1 genannten Anordnungen dienen neben der Arbeitsmittelkühlung auch zur Kühlung von Bauteilen, z. B. von Teilen der Turbineneinheit und auch zur thermischen Steuerung von Bauteilen. Dies soll anhand von Fig. 3 verdeutlicht werden, wo ein schematischer Halbschnitt einer Fluggasturbine mit Nebenstrom gezeigt wird. Es bedeuten hier (12) die Fansektion, (13) den Niederdruckverdichter, (14) den in Fig. 1 separat gezeichneten Hochdruckverdichter, (15) ist die Brennkammersektion, (16) die Hochdruckturbinensektion und (17) die Niederdruckturbinensektion. Weiterhin bedeuten (H) den Hauptstrom der Luft, welcher durch das Kerntriebwerk geleitet wird. (N) symbolisiert den Nebenstrom und (U) die Fanummantelung. Die Kühlung der Hochdruckverdichtersektion wurde bereits unter Fig. 1 erläutert. Unterschiedlich zu Fig. 1 befindet sich hier der Kühlmitteleintritt (E) im Bereich der Niederdruckverdichtersektion (13) und das Kühlmittel wird nach Wärmeaufnahme in (13) und (14) im Ringraum (R) mittels Rohrverbindung (M′) zur Hochdruckturbinensektion (16) geführt. Dort wird das Kühlmedium z. B. in einem Ringraum (R′) um das Turbinengehäuse geführt, und auch durch die hohlgebohrten Turbinenleitschaufeln, analog zu den erfindungsgemäßen Ansprüchen. Anschließend wird das Kühlmittel im geschlossenen Kreislauf über die Rückleitung (M) zum Wärmetauscher (8) geführt. Diese "externe" Turbinenleitschaufelkühlung ersetzt die herkömmliche Methode der Kühlung, wo hochverdichtete Luft des Hochdruckverdichters (14) abgezweigt, durch die Leitschaufeln geleitet, und anschließend dem Gasstrom des Kerntriebwerkes wieder zugemischt wird.

Daneben kann das zusätzlich über das Turbinenaußengehäuse geleitete Kühlmittel auch zur thermischen Steuerung des Radialspieles zwischen Turbinengehäuse und Turbinenlaufschaufeln dienen.

Der erreichbare Kühlwirkungsgrad nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 wird besonders hoch, wenn das Kühlverfahren nach dem Zwei-Phasen-Konzept betrieben wird. In diesem Falle ist das Kühlmittel vor der Wärmeaufnahme in (R) und/oder (R′) ganz oder teilweise in flüssigem Zustand, während es bei der Wärmeaufnahme ganz oder teilweise in den gasförmigen Zustand übergeht.

Schließlich sei noch auf ein Beispiel verwiesen, wo das Kühlmittel im Gegensatz zu den oben beschriebenen Verfahren, in einem offenen Prozeß eingesetzt wird.

Fig. 4 zeigt einen schematischen Halbschnitt eines Flugtriebwerkes mit sehr hohem Nebenstromverhältnis. Das Triebwerk ist ähnlich aufgebaut wie das unter Fig. 3 gezeigte, nur befindet sich zwischen Niederdruckverdichter (13) und Fansektion (12) ein mechanisches Untersetzungsgetriebe (18). Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Teil der Luft nach der vorzugsweise ersten oder zweiten Stufe des Niederdruck­ verdichters (13) abzuzweigen und als Kühlmittel nach der Art eines zweiten Nebenstromes (N) zu verwenden. Der Kühlmittelringraum beginnt hier vorzugsweise gleich nach der Entnahmestelle, so daß die Kühlung nach den erfindungsgemäßen Ansprüchen sowohl den Niederdruckverdichter (13), als auch den Hochdruckverdichter (14) erfaßt. Anschließend wird das Kühlmittel über Rohrleitungen (M′) zur Kühlung der Hochdruckturbinengruppe (16) und bei Bedarf auch der Niederdruckturbinengruppe (17) geführt.

Erfindungsgemäß wird das erwärmte Kühlmittel Luft zwecks Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades zum Vortrieb genutzt, indem es dem heißen Abgasstrahl vor der Entspannungsdüse (D) zugemischt wird, oder in einer eigenen Entspannungsdüse genutzt wird, oder bei langgeführter Ummantelung (U), dem Nebenstrom (N) zugemischt wird.

In den bisher beschriebenen Verfahren fließt das Kühlmittel im Kühlmittelringraum (R) in der gleichen Richtung wie das Arbeitsmittel, also nach dem Prinzip des Gleichstromwärmetauschers. Es kann selbstverständlich sinnvoll sein, daß das Kühlmittel im Vergleich zum Arbeitsmittel auch nach dem Prinzip des Gegenstrom- oder Kreuzstromwärmetauschers arbeitet.

Claims (13)

1. Flugtriebwerk mit einer Gasturbine, die einen Axialver­ dichter mit mindestens einem Leitschaufelkranz umfaßt, wobei die Leit­ schaufeln (Le₁, Le₂, Le₃) eines Leitschaufelkranzes des Axialverdichters als Wärmetauscher zur Abkühlung des Arbeitsmittels ausgebildet sind und sie innenseitig Kanäle (11) für die Durchströmung eines Kühlmittels auf­ weisen, ferner ein Leitungssystem (K, M) zur Zirkulation des Kühlmittels im geschlossenen Kreis und Einrichtungen (9) zum Wärmeaustausch des Kühlmittels mit der Umgebung vorgesehen sind.

2. Flugtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel gasförmig oder flüssig ist, oder aus einem verflüssigtem metallischen Wärmeträger besteht.

3. Flugtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel vor der Wärmeaufnahme flüssig oder teilweise flüssig ist und daß es bei der Wärmeaufnahme ganz oder teilweise in den gasförmigen Zustand übergeht.

4. Flugtriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Innenkanäle (11) entlang der ganzen Schaufellänge erstrecken.

5. Flugtriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zumindest Teile des Gehäuses (2) umschließender Ringraum (R) zur Durchleitung von Kühlmittel vorgesehen ist.

6. Flugtriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (Le₁, Le₂) durch die Gehäusewandung nach radiale außen ragende Fortsätze (10) aufweisen, die in den Kühlmittelringraum (R) hineinragen.

7. Flugtriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortsätze (10) der Leitschaufeln (Le₁, Le₂) als Strömungskörper ausgebildet sind, auf deren Oberfläche Bereiche mit hohem und Bereiche mit niedrigem Kühlmittel­ strömungsdruck auftreten.

8. Flugtriebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche am Strömungskörper mit hohem Kühlmittel­ strömungsdruck mit der Zuleitung (12) und die mit nied­ rigem Strömungsdruck mit der Ableitung (13) der Leit­ schaufelinnenkanäle verbunden sind.

9. Flugtriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelringraum (R) eine gemeinsame Wandung mit dem Sammelgehäuse der Verdichter-Zapfluft besitzt, durch welche Wärme ausgetauscht wird.

10. Flugtriebwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Wandung beiderseits mit Rippen verse­ hen ist.

11. Flugtriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verdichter abströmende Kühlmittel der weiteren Kühlung der Leit­ schaufeln und/oder des Gehäuses einer oder mehrerer Tur­ binenstufen dient.

12. Flugtriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Luft ist, die vorzugsweise nach der ersten oder zweiten Nie­ derdruckverdichterstufe dem Gasturbinenprozeß entnommen wird und in einem separaten Nebenstrom zur Kühlung eingesetzt wird.

13. Flugtriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel kalter Kraftstoff ist, der durch die kalten Außenbedingungen in Reiseflughöhe, oder bei verflüssigtem gasförmigen Kraft­ stoff durch das in ihm bestehende Kühlungspotential bei Verdampfung, gekühlt wird.