DE60017396T2

DE60017396T2 - Vorrichtung zur reduzierung der kühlung für einen turbineneinlasskanal

Info

Publication number: DE60017396T2
Application number: DE60017396T
Authority: DE
Inventors: J. Roger GATES
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: JP2003502546A; DE60017396D1; EP1185765A1; EP1185765B1; US6269628B1; CA2374753A1; CA2374753C; WO2000077348A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Turbinenmaschinen und insbesondere Turbinenmaschinen, bei denen unterschiedliche Maschinenbauteile integral gegossen sind, um so die Beständigkeit gegen Wärmespannung zu erhöhen und so das Bedürfnis nach Kühlströmung über die Maschinenbauteile zu verringern.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Turbinenmaschinen und insbesondere Gasturbinenmaschinen werden typischerweise in Flugzeugen zum Strahlantrieb verwendet. Eine Gasturbinenmaschine kann den Kern eines konventionellen Turbostrahltriebwerks bilden oder kann in konventionellen Hybridanwendungen, beispielsweise in Turboproptriebwerken verwendet werden, die sowohl den Strahlantrieb als auch den Propellerantrieb kombinieren.
Ein Problem, welches bei Gasturbinenmaschinen auftritt, ist, dass die Bauteile der Maschine es häufig nicht aushalten können, andauernd und wiederholt den heißen Gasen ausgesetzt zu sein, die während des Verbrennungsprozesses gebildet werden. Maschinenbauteile wie beispielsweise Brenneraustrittskanäle werden typischerweise aus dünnen Flachmaterialstücken aus geschmiedetem Metall gebildet, die den andauernden zyklischen Kontakt mit heißen Maschinengasen, die typischerweise während des Maschinenbetriebs gebildet werden, nicht aushalten können. In der Folge benötigen diese Bauteile irgendeinen Mechanismus zum Kühlen, um deren strukturelle Integrität über die Nutzungslebensdauer der Maschine beizubehalten.
In den vergangenen Jahren wurden Lösungen zum Kühlen von Maschinenbrennkammerbauteilen während des Betriebs der Maschine entwickelt. Vorgeschlagene Lösungen sind in dem US-Patent 5 271 220 an Holmes et al., welches am 21. Dezember 1993 erteilt wurde, und dem US-Patent 5 280 703 an Corrado et al., welches am 25. Januar 1994 erteilt wurde, ausgeführt. Diese Patente beschreiben Gasturbinenmaschinen mit radialer Einströmung, bei denen die Brennkammer von einer Gehäusewand umgeben ist. Eine relativ kühle Luftströmung von der Verdichterstufe der Maschine wird zwischen der Gehäusewand und der äußeren Wand der Brennkammer hindurch geleitet, um die Brennkammerwände während des Maschinenbetriebs zu kühlen. Die Kühlluftströmung geht um die Brennkammerwände herum. Die Kühlluftströmung wird schließlich in die Brennkammer abgelassen, wo sie in den Abgasstrom freigegeben wird.
US-Patent 3 761 205, welches Cronstedt am 25. September 1973 erteilt wurde, beschreibt eine Gasturbinenmaschine, die insbesondere so ausgelegt ist, dass sie einfach zerlegt und gewartet werden kann. Eine Turbineneinlass-Düsenanordnung weist radial verlaufend eine erste und eine zweite Wand an entgegengesetzten Enden einer Reihe von Düsenleitschaufeln und ein ringförmiges Turbinenkranzelement auf, welches von der zweiten Wand weg ragt und die Peripherie der Turbinenlaufschaufeln umgibt.
US-Patent 4 955 192, welches am 11. September 1990 Shekleton erteilt wurde, beschreibt das Kühlen eines Rückhalterings für eine Turbine mit radialer Einströmung. Verdünnungsluft tritt in die Verbrennungsgase knapp strömungsaufwärts der Turbineneinlassdüse ein, nachdem sie einen Rückhaltering in dem Verdünnungsluftweg gekühlt hat.
US-Patent 3 652 181, welches am 28. März 1972 Wilhelm, Jr. erteilt wurde, beschreibt eine Kühlmuffe für ein Gasturbinen-Übergangselement, welche einen Aufprallkanal bildet. Jedoch umgibt der gebildete Aufprallkanal das Übergangselement vollständig, und Luft gelangt in den Aufprallkanal an einer Seite und wird nach dem Kühlen des Übergangselements in den Verbrennungsgasweg an der anderen eingelassen.
Eine dritte Konstruktion ist in dem US-Patent 4 439 982 an Weller et al., welches am 3. April 1994 erteilt wurde, beschrieben. Bei dieser Erfindung wird Luftströmung um die Brennkammer gelenkt, und während dieser Zeit wird sie zur Verwendung in dem Verbrennungsprozess angesaugt. Die Verbrennungsprodukte werden dann zu einem Umkehrströmungskanal gelenkt, wo sie über alternierende Reihen von Statorleitschaufeln und Turbinenlaufschaufeln strömen. Die um die Brennkammer gelenkte Luftströmung wird durch einen Kanal in das Innere der Statorleitschaufeln zum Kühlen der Statorleitschaufeln während Maschinenbetrieb abgelassen. Die in das Innere der Statorleitschaufeln gelangende Luftströmung wird dann in den Abgasstrom durch Öffnungen in der Nähe der Hinterkante der Statorleitschaufeln freigegeben.
Sowohl Holmes et al. als auch Corrado et al. betreffen Radialturbinen und sind nicht wirklich einschlägig. Jedes der genannten Dokumente sorgt für eine Luftströmung, welche die Wände der Brennkammer kühlt und im Fall von Corrado et al. auch die Turbinendüse kühlt. Die großen Mengen an Kühlströmung, die zum Kühlen dieser Bauteile benötigt werden, beeinträchtigen substanziell die Effizienz der Maschine. Dazu kommt es, weil ein signifikanter Teil der Luftströmung, der durch die Verdichterstufe in Richtung der Brennkammer gelenkt wird, von der Brennkammer nicht verwendet wird. Stattdessen wird ein signifikanter Teil dieser Luftströmung verwendet, um Wärme weg von der Brennkammer und zugehörigen Bauteilen zu transportieren. Das bedeutet, dass mehr von der Luftströmung von den Verdichterstufen zum Kühlen verwendet werden muss und somit weniger von der Luftströmung zur Verbrennung verwendet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich ist es ein Ziel der Erfindung, das Volumen von Kühlluftströmung zu verringern, die über thermisch beanspruchte Bauteile in einer Gasturbinenmaschine gelenkt werden muss.
Es ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche das Volumen an Kühlluftströmung verringert, die über thermisch beanspruchten Maschinenbauteilen benötigt wird.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Maschinenbauteilen bereitzustellen, die beständiger gegen Wärmebelastung sind, und somit die Menge an Kühlluftströmung zu verringern, die benötigt wird, um diese Bauteile bei deren konstruktionsmäßiger Betriebstemperatur zu halten.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Verringern des relativen Durchmessers der Wände der Brennkammer in einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen.
Gemäß den genannten Zielen liefert die Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 1.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem so generell die Art der Erfindung beschrieben wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform davon zeigen, und für die gilt:
1 zeigt eine axiale Teilschnittansicht des Verdichter- und Verbrennungsabschnitts einer Gasturbinenmaschine; und
2 zeigt eine vergrößerte Teilschnittansicht einer integralen Kanalkonstruktion gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft zum Teil die Prinzipien des Integral-Gießens von unterschiedlichen Maschinenbauteilen, um so die Beständigkeit für Wär mebelastung zu erhöhen und so die Kühlerfordernisse zu verringern. Die in der vorliegenden Erfindung niedergelegten Prinzipien sind mit Bezugnahme auf eine spezielle Anwendung beschrieben, sie können jedoch bei anderen Anwendungen in Gasturbinenmaschinen angewendet werden.
1 zeigt die Zentrifugal-Laufradstufe 15 eines Verdichterabschnitts, die Strömung radial nach außen zu einem Diffusor 17 lenkt. Die Luftströmung wird dann axial durch Diffusorrohre 19 gerichtet, die ein Verlangsamen der Luftströmungsgeschwindigkeit und eine Erhöhung des Drucks der Luftströmung in einer in dem Technikgebiet bekannten Weise bewirken. Hochdruckluftströmung wird so in die ringförmige Passage 20 gelenkt, welche die Brennkammer 25 umgibt.
Wie man in 1 erkennt, wird die Luftströmung in der ringförmigen Passage 20 um die Brennkammer 25 generell in der Richtung des Pfeils 27 gelenkt. Die Brennkammer 25 nutzt einen Hauptteil dieser Luftströmung in dem Verbrennungsprozess. Die Abgase mit hoher Temperatur und hohem Druck, die während des Verbrennungsprozesses erzeugt werden, werden dann in den Umkehrluftströmungs-Übergangskanal 30 gelenkt, der eine äußere Kanalwand 32 und eine innere Kanalwand 34 aufweist. Die Abgase folgen dem Strömungsweg, der durch den Pfeil 36 gezeigt ist, und strömen über die Statorleitelementschaufeln 38 in die Turbinenstufe, die die an der Turbinenscheibe angebrachten Laufschaufeln 40 aufweist.
Ein Teil der durch die ringförmige Passage 20 strömenden Luftströmung wird auch zum Aufrechterhalten des Verbrennungsprozesses in die ringförmige Passage 45 entlang des durch den Pfeil 47 angezeigten Strömungswegs gelenkt. Diese Luftströmung erreicht dann die Begrenzungswand 49 der ringförmigen Passage 45, wo sie durch kleine Öffnungen in der Begrenzungswand 49 gelenkt wird und auf die innere Oberfläche der inneren Kanalwand 34 trifft, wie man am besten in 2 erkennt. Die in die ringförmige Passage 45 tretende Luftströmung ist relativ kühl, und sie dient so zum Kühlen der inneren Kanalwand 34, die den Abgasen, die während der Verbrennung erzeugt werden, ausgesetzt ist. Das dient zum Beibehalten der strukturellen Integrität der inneren Kanalwand während des Betriebs der Maschine. Die kühlende Luftströmung wird dann in das Innere der Statorleitschaufeln 38 abgelassen zu Zwecken, die weiter mit Bezugnahme auf 2 beschrieben werden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die innere Kanalwand 34 als eine integral gegossene Fortsetzung eines umfangsmäßig verlaufenden äußeren Kranzes 42 gebildet, der an dem radial äußeren Ende der Statorleitelementschaufeln 38 gebildet ist. Der innere Statorleitelementkranz ist an einer statischen Abstützung befestigt. Die innere Kanalwand 34 und der umfangsmäßig verlaufende äußere Kranz 42 sind wie ein unitärer ringförmiger Ring integral gegossen, gebildet aus einer Metalllegierung, die gegen Wärmebelastung sehr beständig ist. Materialien, die Nickel und Kobalt enthalten, können in der Metalllegierung enthalten sein, obwohl andere Metalllegierungen, die gegen Wärmebelastung sehr beständig sind, als in dem Umfang der vorliegenden Erfindung angesehen werden.
Der Vorteil des integralen Gießens der inneren Kanalwand 34 mit dem umfangsmäßig verlaufenden äußeren Kranz 42 liegt in der Tatsache, dass eine derartig integral gegossene Struktur weit beständiger gegen Wärmebelastungen ist als konventionelle Kanalwandkonstruktionen, die aus geschmiedetem Flachmaterialmetall gebildet sind. Das bedeutet, dass die integral gegossene innere Kanalwand höhere Temperaturen über längere Zeiträume aushalten kann als es möglich ist, wenn die Metallwand aus Flachmaterialmetall gebildet ist. In der Folge benötigt die Kanalwand 34 weniger Kühlluftströmung von der ringförmigen Passage 45, um ihre strukturelle Integrität beizubehalten. Das liefert zwei Hauptvorteile. Zum einen kann die Maschine mit einem kleineren ringförmigen Kanal 45 ausgelegt werden, da weniger Luftströmung zum Kühlen der inneren Kanalwand 34 benötigt wird, und deshalb kann die Brennkammer mit einem kleineren Durchmesser ausgelegt werden. Das wiederum erlaubt eine Gewichtsreduktion, da weniger Material benötigt wird, um die Brennkammer zu bilden, sowie schließlich eine Verringerung der Gesamtgröße der Maschine. Zum zweiten bedeutet die verringerte benötigte Menge an Kühlluftströmung, dass mehr von der Luftströmung, die von dem Verdichterabschnitt stammt, zur Verbrennung verwendet werden kann und somit die Effizienz der Maschine verbessert wird.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer integralen Kanalkonstruktion gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Umkehrluftströmungskanal 30 ist mit der äußeren Kanalwand 32 und der inneren Kanalwand 34 gezeigt. Wie vorangehend ausgeführt, ist die innere Kanalwand 34 als eine Fortsetzung des äußeren Kranzes 42 gebildet und bildet die innere Wand des Luftströmungskanals 30. Eine ringförmige, generell U-förmige Begrenzungswand 49 ist an der Kranz-Abstützstruktur angebracht, wie in 2 gezeigt, und weist eine Lippe 49a auf, die eine Dichtung mit dem ringförmigen Schlitz 48 bildet, der in dem Rand der inneren Brennkammerwand 51 definiert ist. Die Begrenzungswand 49 ist auch mit einer ringförmigen Nut oder einem ringförmigen Schlitz 53 versehen, der mit dem ringförmigen Reifen 34a abdichtet, der an dem äußeren Rand der inneren Kanalwand 34 gebildet ist.
Die Begrenzungswand 49 ist auch mit Öffnungen versehen, die es der Kühlluftströmung erlauben, in den Aufprallkanal 52 hindurch zu treten. Die so gebildeten Strahlen und die sich ergebende Luftströmung durch den Aufprallkanal 52 zerstreut die Wärme von der Begrenzungswand 34. Die ringförmige Passage 45 ist so gezeigt, dass sie eine relativ kühle Luftströmung entlang dem Weg des Pfeils 47 liefert. Die in den Aufprallkanal 52 gerichtete Luftströmung wird in Richtung zu den Statorschaufeln 38 geführt.
Der Weg der Luftströmung durch den Aufprallkanal 52 und in die Statorschaufeln 38 ist durch die Pfeile 58 gezeigt. Jede der Statorschaufeln ist generell hohl und weist eine Mehrzahl von Öffnungen 60 auf, welche die Kühlluftströmung in den Abgasstrom freigeben. Die Öffnungen 60 sind vorzugsweise entlang der Hinterkante der Laufschaufel angeordnet, der Fachmann erkennt jedoch, dass diese Öffnungen entlang jedem Teil der Schaufel angeordnet sein können. Im Ergebnis ist die Kühlluftströmung von dem Aufprallkanal 52 in den Statorleitelement-Strömungsprofilen geführt und wird durch die Öffnungen 60 freigegeben.

Claims

Vorrichtung zum Verringern der Kühlanforderungen eines Brenneraustrittskanals, der zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine angepasst ist, wobei die Brennkammereinrichtung eine Brennkammer (25) aufweist, die mindestens durch eine äußere ringförmige Wand und eine innere ringförmige Wand definiert ist, wobei die Brennkammer mit einem Umkehrluftströmungs-Übergangskanal (30) kommuniziert, der einen ersten Kanalbereich mit einer äußeren Kanalwand (32) und einer inneren Kanalwand (34) aufweist, wobei die Brennkammer von einer ringförmigen Passage (45) zum Liefern von kühlender Luftströmung zu der inneren (51) und äußeren Wand der Brennkammer umgeben ist, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Turbinendüse strömungsabwärts von dem ersten Kanalbereich und strömungsaufwärts von einem Turbinenabschnitt, wobei die Turbinendüse eine Mehrzahl von Statorleitelementen (38) zum Führen von Gasen durch den Gasturbinenabschnitt aufweist, wobei die Turbinendüse einen inneren Kranz und einen äußeren Kranz definiert; wobei der innere Kranz der Turbinendüse mit einer statischen Abstützung verbunden ist; wobei der äußere Kranz der Turbinendüse einen umfangsmäßig verlaufenden Kranzbereich (42) aufweist, der integral mit einem Bereich der inneren Kanalwand (34) des ersten Kanalbereichs gegossen ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine zweite Wand (49) aufweist, die von der inneren Kanalwand (34) beabstandet ist und sich gemeinsam mit dieser erstreckt, wobei die zweite Wand (49) in der ringförmigen Passage (45) ist und eine Mehrzahl von Öffnungen darin aufweist, um eine Aufprallkühlung der inneren Kanalwand (34) zu erlauben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der umfangsmäßig verlaufende Kranzbereich (42) und die innere Kanalwand (34) einen unitären ringförmigen Ring definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der ringförmige Ring eine Querschnittsgestalt hat, die einen gekrümmten Bereich und einen generell linearen Wandbereich zusammenfallend mit dem äußeren Ende der dem gekrümmten Bereich benachbarten Turbinendüse aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der ringförmige Ring ein einstückig gegossenes Element integral mit dem Kranzbereich (42) ist und einen äußeren ringförmigen Reifen (34a) aufweist, wobei die innere Brennkammerwand (51) einen ringförmigen Schlitz (48) aufweist, der an dem Ende davon gebildet ist, und eine axiale Komponente hat, und eine Dichtungseinrichtung, die sich zwischen dem Reifen (34a) des ringförmigen Rings und dem Schlitz (48), der in der inneren Brennkammerwand (51) gebildet ist, erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite Wand (49) in der Gestalt eines zweiten ringförmigen Rings ist, der an dem Kranzbereich (42) angebracht ist und sich mit dem ringförmigen Ring, der die innere Kanalwand (34) bildet, gemeinsam erstreckt und parallel zu diesem ist, wobei der zweite ringförmige Ring von dem ringförmigen Ring beabstandet ist, um einen Aufprallkanal (52) zu bilden, und wobei eine Mehrzahl von Öffnungen vorgesehen ist, welche sich durch den zweiten ringförmigen Ring erstrecken, wobei die ringförmige Passage eine äußere ringförmige Passage (20) und eine innere ringförmige Passage (45) aufweist, wobei die innere ringförmige Passage (45) durch die innere Wand (51) der Brennkammer und durch den zweiten ringförmigen Ring definiert ist, und wobei die Öffnungen die innere ringförmige Passage (45) mit dem Aufprallkanal (52) kommunizieren lassen, so dass Kühlluft in den Aufprallkanal (52) gelangen kann und Wärme von der inneren Kanalwand (34) verteilen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der zweite ringförmige Ring auch die Dichtungseinrichtung zwischen dem Reifen des ringförmigen Rings (34a) und dem ringförmigen Schlitz, der in der inneren Wand der Brennkammer (48) gebildet ist, bildet, und wobei der zweite ringförmige Ring eine Lippe (49a) aufweist, die daran angepasst ist, dichtend mit dem ringförmigen Schlitz (48) der inneren ringförmigen Wand (51) der Brennkammer zusammenzuwirken und auch mit einem zweiten ringförmigen Schlitz (53) zum Aufnehmen des ringförmigen Reifens (34a) des ringförmigen Rings versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Aufprallkanal (52) einen Auslass zwischen dem ersten ringförmigen Ring und dem zweiten ringförmigen Ring an dem Kranzbereich (42) des Maschinenbauteils aufweist, wobei die Leitelemente (38) interne Kühlpassagen und Einlässe aufweisen, die dem Kranz zum Kommunizieren mit dem Auslass des Aufprallkanals (52) definiert sind.
Gasturbinenmaschine, aufweisend eine Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.