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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Brennkammeranordnung
für Gasturbinentriebwerke
und insbesondere auf Verbesserungen von Gasturbinentriebwerks-Brennkammern,
die Anzapfdiffusoren aufweisen.
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Bei
einem typischen Gasturbinentriebwerk wird komprimierte Luft vom
Kompressor einer Brennkammer zugeführt, wo die Luft mit Brennstoff
vermischt und innerhalb der Brennkammer verbrannt wird, um einen
Gasstrom hoher Temperatur und hoher Energie zu erzeugen. Dieser
unter hoher Temperatur stehende Gasstrom hoher Energie strömt dann in
ein Turbinensystem ein und durch dieses hindurch, wo Energie aus
dem Gasstrahl extrahiert wird, um die stromaufwärtigen Kompressoren anzutreiben,
die antriebsmäßig mit
den Turbinen verbunden sind. Die Turbinen können auch Energie aus dem Gasstrom entnehmen,
um einen Fan, einen Propeller oder eine andere Ausrüstung, beispielsweise
einen elektrischen Generator, anzutreiben.
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Um
eine stabile und wirksame Verbrennung des Brennstoffs innerhalb
der Brennkammer zu erreichen, ist es wichtig zu gewährleisten,
dass eine geeignete Luftströmung
nach der Brennkammer und in dieser strömt. Insbesondere ist die Geschwindigkeit der
Luft beim Verlassen des Kompressors viel zu hoch, um eine Verbrennung
durchzuführen.
Infolgedessen muss die Luft beim Eintritt in die Brennkammer unter
Benutzung eines Diffusors diffundiert werden, um die Luftgeschwindigkeit
herabzusetzen und ihren statischen Druck zu erhöhen. Ein typischer Diffusor
umfasst einen divergierenden Kanal mit sich vergrößerndem
Querschnitt, durch den die Luft vom Kompressor strömt. Der
Diffusor diffundiert die Luftströmung
vom Kompressor und verteilt außerdem
die Luftströmung über den
ringförmigen
Querschnitt der Brennkammer.
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Ein
Problem besteht bei derartigen Diffusoren insofern, als sich benachbart
zu den Wänden
des Diffusors eine Grenzschicht entwickelt. Die Luftströmung innerhalb
dieser Grenzschicht hat eine geringere Geschwindigkeit als die Hauptströmung durch den
Diffusor. Die Größe der Grenzschicht
erhöht
sich bei Strömung
der Luft durch den Diffusor, was zur Folge hat, dass die Luftströmung vom
Diffusor ein ungleichmäßiges Querschnittsgeschwindigkeitsprofil aufweist.
Eine solche Veränderung
in der Luftströmungsgeschwindigkeit
ist für
eine stabile und wirksame Verbrennung unerwünscht. Ein weiteres Problem besteht
darin, dass der Divergenzwinkel des Diffusorkanals und demgemäß die Geschwindigkeit
der Diffusion begrenzt ist durch das Auftreten einer Abtrennung
der Grenzschicht an der Diffusorwand, was zu Strömungsverlusten führt. Um
infolgedessen eine beträchtliche
Diffusion der Luftströmung
zu erhalten und/oder die Luftströmung über einen
beträchtlichen Brennkammerquerschnitt
zu verteilen, muss ein herkömmlicher
Diffusor relativ lang sein. Die verfügbare Länge für den Diffusor ist in modernen
Gasturbinentriebwerken jedoch oft beschränkt. Dies ist ein spezielles
Problem bei modernen doppelringförmigen,
gestuften Brennkammeranordnungen, die eine große Querschnittsfläche besitzen
und ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil über dem
Querschnitt erfordern.
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Um
diese Probleme zu lösen,
sind verschiedene Anzapfdiffusoranordnungen vorgeschlagen worden.
Bei derartigen Anzapfdiffusoren wird die Grenzschicht benachbart
zu den Diffusorkanalwänden
vom Diffusor abgezapft. Hierdurch wird die Größe der Grenzschicht verringert
und so die Gleichförmigkeit
des Querschnittsgeschwindigkeitsprofils verbessert, und es können größere Diffusorkanalwinkel und
demgemäß größere Diffusionsraten
benutzt werden als dies ohne Grenzschichtabtrennung möglich wäre. Derartige
Anzapfdiffusoren sind wirksamer und haben einen verbesserten Wirkungsgrad
im Vergleich mit konventionellen Diffusoren. Es existieren verschiedene
unterschiedliche Typen derartiger Anzapfdiffusoren einschließlich Wirbeldiffusoren
und Diffusoren mit perforierten Kanalwänden.
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Leider
steht die vom Diffusor abgezapfte Luft unter einem relativ hohen
Druck, nachdem sie durch den Kompressor verdichtet wurde. Durch
Abzapfen der Luft aus dem Hauptgasstrom wird der Gesamtwirkungsgrad
und die Gesamtleistung des Gasturbinentriebwerks als Ganzes vermindert.
Infolgedessen wird die Verbesserung, die bezüglich Wirkungsgrad und Leistung
durch den Anzapfdiffusor erreicht wird, oft ausgeglichen oder es
tritt sogar eine Verschlechterung durch Verminderung des Gesamtwirkungsgrades
und der Gesamtleistung des Triebwerks als Ganzes ein.
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Die
US 4796429 beschreibt einen
Brennkammerdiffusor, bei dem eine Abzapfung vom Diffusor vorgenommen
und benutzt wird, um Turbinenbauteile zu kühlen. In gleicher Weise zeigt
die
US 5791148 , dass
die Abzapfung von Luft vom Hochdruckkompressor eines Gasturbinentriebwerks
benutzt werden kann, um Turbinenbauteile zu kühlen, wobei die Luft danach
benutzt wird, um die innere Auskleidung der Brennkammer zu kühlen. Die
US 5632141 lehrt, dass Luft,
die vom Diffusor abgezapft wurde, in einem Speicher gesammelt werden
kann, wobei diese Luft dann intermittierend für das Zubehör des Triebwerks oder des Flugzeugs
zur Verfügung steht.
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Es
ist daher erwünscht,
eine Brennkammeranordnung für
ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei dem die betrieblichen
Vorteile eines Anzapfdiffusors benutzt werden können, ohne die Gesamtleistung
des Gasturbinentriebwerks als Ganzes zu beeinträchtigen und/oder wobei allgemein
Verbesserungen erzielt werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammeranordnung
für ein
Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammer mit Brennstoffeinspritzdüsen, mit
einem durch Wirbel gesteuerten Anzapfdiffusor, der stromauf der
Brennkammer angeordnet ist, um im Betrieb eine Luftströmung von
einem stromaufwärtigen
Kompressor in die Brennkammer einzuleiten, wobei die Brennstoffeinspritzdüsen im Betrieb
Brennstoff in die Brennkammer einspritzen, wo der Brennstoff mit
der Luftströmung
aus dem Kompressor vermischt und das Gemisch verbrannt wird und wobei
der Anzapfdiffusor einen Teil der Luftströmung aus dem Hauptluftstrom
in die Brennkammer abzapft und sich am stromabwärtigen Ende der Brennkammer
ein Aufbau von Auslassleitschaufeln befindet und in jeder Leitschaufel
eine Gruppe innerer Kühlkanäle definiert
ist, die in den Hauptgasstrom münden,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anzapfkanal den wirbelgesteuerten
Anzapfdiffusor mit den inneren Kühlkanälen der
Leitschaufeln verbindet, um im Betrieb vom Diffusor abgezapfte Luft über die
inneren Kühlkanäle der Leitschaufeln zurückzuführen und
zu richten, um die Luft, die vom Diffusor abgezapft wurde, in den
Hauptgasstrom durch das Triebwerk an einer Stelle stromab der Brennstoffeinspritzdüsen einzuleiten.
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Vorzugsweise
weist der wirbelgesteuerte Anzapfdiffusor einen ersten divergierenden,
durch erste divergierende innere und äußere Ringdiffusorkanalwände definierten
Ringkanal und einen zweiten divergierenden Kanal auf, der durch
zweite divergierende innere und äußere Diffusorkanalwände stromab
des ersten divergierenden Ringkanals definiert ist; und wobei innere
und äußere Ringöffnungen,
die nach inneren und äußeren Ringkammern
führen, zwischen
dem stromabwärtigen
Ende des ersten Kanals und dem stromaufwärtigen Ende des zweiten Kanals
vorgesehen sind; und wobei wenigstens eine der inneren und äußeren Ringkammern
eine Öffnung aufweist,
die mit dem Anzapfkanal in Verbindung steht.
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Vorzugsweise
verläuft
wenigstens ein Verbindungskanal zwischen der inneren Ringkammer und
der äußeren Ringkammer.
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Der
wenigstens eine Anzapfkanal umfasst wenigstens zwei Anzapfkanäle, wobei
der erste Anzapfkanal mit einer mit der inneren Ringkammer in Verbindung
stehenden Öffnung
verbunden ist, während
der zweite Anzapfkanal mit einer Öffnung verbunden ist, die mit
der äußeren Ringkammer
in Verbindung steht.
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Die
inneren Kühlkanäle sind
in einem stromlinienförmigen
Abschnitt der Leitschaufel definiert. Die Leitschaufel weist eine
Plattform auf und der stromlinienförmige Abschnitt und die inneren
Kühlkanäle sind
in der Plattform der Leitschaufel definiert.
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Außerdem münden die
inneren Kühlkanäle benachbart
zu einem stromabwärtigen
Abschnitt der Leitschaufeln.
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Vorzugsweise
ist wenigstens ein Anzapfkanal radial innerhalb der Brennkammer
angeordnet. Stattdessen ist wenigstens ein Anzapfkanal radial außerhalb
der Brennkammer angeordnet.
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Vorzugsweise
weist die Brennkammer eine stufenweise Verbrennung auf.
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Der
Anzapfdiffusor wird durch radial innere und äußere Diffusorkanalwände definiert,
und im Betrieb strömt
ein Hauptluftstrom zwischen diesen inneren und äußeren Diffusorkanalwänden, wobei
wenigstens eine Öffnung
in jeder Diffusorkanalwand angeordnet ist, durch die im Betrieb
Luft abgezapft wird. Der wenigstens eine Kanal erstreckt sich im
Betrieb zwischen den inneren und äußeren Diffusorkanalwänden, um
die Anzapfluft durch die Öffnungen,
die in jeder Diffusorkanalwand befindlich sind, miteinander zu verbinden.
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Die
Brennkammeranordnung weist außerdem
ein Brennkammergehäuse
auf, das wenigstens teilweise eine doppelwandige Konstruktion hat,
die wenigstens einen Anzapfkanal definiert.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer
Brennkammeranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Einzeldarstellung der Brennkammeranordnung gemäß 1 in
größerem Maßstab;
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3 bis 5 sind
schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele
von Brennkammeranordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 1 umfasst
ein Mantelstrom-Fan-Gasturbinentriebwerk 3 in axialer Strömungsrichtung
hintereinander einen Lufteinlass 5, einen Vortriebsfan 2,
einen Zwischendruckkompressor 4, einen Hochdruckkompressor 6,
eine Brennkammeranordnung 8, eine Hochdruckturbine 10,
eine Zwischendruckturbine 12, eine Niederdruckturbine 14 und
eine Abgasdüse 16.
Die Kompressoren 4, 6 und die Turbinen 10, 12, 14 sind
Axialströmungsmaschinen
und bestehen abwechselnd aus Rotorstufen, die um eine zentrale Triebwerksachse 1 umlaufen und
stationären
Leitschaufeln. Die Erfindung ist jedoch auch in gleicher Weise anwendbar
für andere konventionelle
Gasturbinentriebwerksanordnungen einschließlich jenen, die keinen getrennten
Zwischendruckkompressor und keine Zwischendruckturbine aufweisen.
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Das
Gasturbinentriebwerk 3 arbeitet in der üblichen Weise, indem die Luft,
die in den Einlass 5 eintritt, durch den Fan 2 beschleunigt
wird. Die aus dem Fan 2 austretende Luft wird in zwei Strömungen aufgeteilt.
Eine erste Luftströmung
fließt
durch einen Nebenstromkanal 18 und wird vom Triebwerk ausgestoßen, um
einen Antriebsschub zu erzeugen. Die zweite Luftströmung tritt
in den Zwischendruckkompressor 4 ein. Der Zwischendruckkompressor
komprimiert die Luftströmung,
die in diesen gerichtet wird, bevor die Luft an den Hochdruckkompressor 6 abgegeben
wird, wo eine weitere Verdichtung stattfindet. Die komprimierte
Luft tritt aus dem Hochdruckkompressor 6 aus und tritt
in die Brennkammeranordnung über
einen Diffusor 7 ein. Innerhalb des Diffusors vergrößert sich
die Strömungsfläche, und
die Geschwindigkeit der Luftströmung
wird vermindert, und ihr statischer Druck erhöht sich. Der Diffusor 7 verteilt
die Luftströmung
außerdem
radial über
die radiale Tiefe der Brennkammeranordnung und stabilisiert die
Luftströmung
nach der Brennkammeranordnung. Innerhalb der Brennkammeranordnung
wird die Luft mit Brennstoff gemischt, der über Brennstoffdüsen 52a, 52b eingespritzt
wird, und das Gemisch wird verbrannt. Die resultierenden heißen Gase
expandieren dann durch die Hochdruckturbine 10, die Zwischendruckturbine 12 und
die Niederdruckturbine 14 und treiben diese an, indem sie
die Turbinen veranlassen, sich um die Triebwerksachse 1 zu
drehen, und dann werden die Gase durch die Düse 16 ausgestoßen, um
einen zusätzlichen
Vortriebsschub zu liefern. Die Hochdruckturbine 10, die
Zwischendruckturbine 12 und die Niederdruckturbine 14 sind
antriebsmäßig mit
dem Hochdruckkompressor 6, dem Zwischendruckkompressor 4 und
dem Fan 2 jeweils über
Wellen 24, 22, 20 verbunden. Die Richtung
der Luftströmung
durch das Triebwerk 3 ist durch den Pfeil A gekennzeichnet,
und die Ausdrücke "stromauf" und "stromab", wie sie in der
Beschreibung benutzt werden, beziehen sich auf diese allgemeine
Strömungsrichtung.
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Die
Brennkammeranordnung ist im Einzelnen in 2 dargestellt.
Die Brennkammeranordnung umfasst radial innere und radial äußere ringförmige Brennkammergehäusewände 48, 49.
Innerhalb des Ringraumes zwischen diesen Wänden 48, 49 befindet
sich ein weiteres Wandpaar 50, 51, das eine Ringbrennkammer
definiert. Brennstoff wird in die Brennkammer über mehrere Brennstoffdüsen 52a, 52b eingespritzt,
die am stromaufwärtigen
Ende der Brennkammer angeordnet sind. Die Brennstoffdüsen 52a, 52b spritzen
Brennstoff in die Luft, die vom Hochdruckkompressor 6 geliefert
wird und die in die Brennkammer über
geeignete nicht dargestellte Öffnungen
innerhalb der Brennkammerwandungen 50, 51 eintritt.
Dann wird das Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt. Die hieraus resultierenden
Verbrennungsprodukte hoher Energie werden am stromabwärtigen Ende 54 der
Brennkammer und der Brennkammeranordnung über eine ringförmige Anordnung
von Brennkammer-Auslassleitschaufeln/Hochdruckturbinen-Einlassleitschaufeln 58 ausgestoßen.
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Die
dargestellte mehrstufige Brennkammeranordnung der Doppelringbauart
ist an sich bekannt. Die Brennstoffdüsen 52a, 52b sind
in zwei verschiedenen ringförmigen
Anordnungen/Gruppen angeordnet, die radial innerhalb der Kammer im
Abstand zueinander liegen. Jede Anordnung/Gruppe der Brennstoffdüsen umfasst
eine Anzahl von Brennstoffdüsen, die
in Umfangsrichtung in einem Ring um die Brennkammer 8 angeordnet
sind. Die radial innere Gruppe von Brennstoffdüsen 52b, die bei diesem
Ausführungsbeispiel
die Leerlaufbrennstoffdüsen
sind, fördern
Brennstoff nach einem ersten Pilotbereich 62 der Brennkammer,
während
die äußeren Hauptbrennstoffdüsen 52a Brennstoff
nach einem äußeren Hauptbereich 64 fördern. Der
Hauptbereich 64 und der Pilotbereich 62 sind durch
eine weitere Wand 55 voneinander getrennt. Wie bekannt,
können
durch diese Anordnung unterschiedliche Brennstoff/Luft-Gemische
und Verbrennungsbedingungen in den beiden Bereichen 62, 64 vorgesehen
werden, wobei Verbrennungsbedingungen mit geringer Verweilzeit im
Hauptbereich 64 vorhanden sind und stabilere Bedingungen
mit hoher Verweilzeit im Pilotbereich vorhanden sind. Die unterschiedlichen
Bedingungen und Brennstoff/Luft-Gemische beeinflussen die Stabilität, den Wirkungsgrad
und die Verschmutzungsprodukte, die in jedem Bereich erzeugt werden und
die von der Brennkammer als Ganzes abgegeben werden. Die Verbrennungsprodukte
von dem Pilotbereich 62 werden in den Hauptbereich 64 eingeführt, um
eine stabile Verbrennung aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise wird
eine wirksamere Verbrennung und Verschmutzungskontrolle (insbesondere bezüglich NOx)
insgesamt geschaffen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Anordnung
der Pilotbrenner und der Hauptbrenner und ihre Bereiche umgekehrt
werden, wobei der Pilotbereich radial außerhalb der Hauptbrenner liegt.
Die Brenner können auch
sowohl axial als auch radial im Abstand anstelle einer radialen
Beabstandung angeordnet werden.
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Die
Luft wird der Brennkammer vom Hochdruckkompressor 6 über Auslassleitschaufeln 28 des Kompressors 6 und
einen Diffusor 7 geliefert, der am stromaufwärtigen Ende
der Brennkammer liegt. Der Diffusor weist einen ersten divergenten
Ringkanal 66 auf, der durch divergierende innere und äußere ringförmige Diffusorkanalwände 30 gebildet
wird und außerdem
einen zweiten divergierenden Kanal 68, der durch divergierende
innere und äußere Diffusorkanalwände 32 stromab
des ersten Kanals 66 gebildet wird. Stromab des stromabwärtigen Endes
des ersten Kanals 66 befindet sich eine plötzliche
Vergrößerung des
Strömungsquerschnitts,
der im Wesentlichen durch innere und äußere Umfangswände 34 definiert
ist, die an den stromaufwärtigen
Enden der inneren und äußeren Wandung 32,
die den zweiten Kanal 68 definieren, angeordnet sind und
sich radial von diesen erstrecken. Zwischen dem stromabwärtigen Ende
des ersten Kanals 66 und der Umfangswand 34 befinden
sich innere und äußere Ringöffnungen 36, die
nach den inneren und äußeren Ringkammern 44b bzw. 44a führen.
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Im
Betrieb erzeugt die Strömung über den Öffnungen 36 einen
gewöhnlich
toroidalen Wirbel innerhalb jeder der Kammern 44a und 44b,
wodurch die Strömung
zu einer Diffusion veranlasst wird. Eine weitere Diffusion findet
unmittelbar stromab der Umfangswand 34 statt, zusammen
mit einem weiteren Paar von Wirbeln, die stromab der Umfangswand 34 erzeugt
werden, d.h. in der Ecke zwischen der Umfangswand und dem stromaufwärtigen Abschnitt
des Kanals 68. Weiter stromab haftet die Strömung wieder
an den Wänden 32 an,
und eine weitere Diffusion setzt sich über den Kanal 68 fort.
Unter Benutzung eines solchen Diffusors, der als ein wirbelgesteuerter Diffusor
bezeichnet wird, können
größere Divergenzkanalwandwinkel
benutzt werden, und es kann eine schnellere Diffusion stattfinden,
ohne dass die normale Grenzschichttrennung am Diffusorauslass erfolgt.
Eine derartige Grenzschichttrennung begrenzt die wirksam erreichbare
Diffusionsgeschwindigkeit herkömmlicher
Diffusoren und beschädigt
das Geschwindigkeitsprofil der Strömung, die vom Diffusor ausgegeben
wird, was wiederum eine schädliche Wirkung
auf die Verbrennung stromab des Diffusors haben kann.
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Es
ist bekannt, die Wirksamkeit eines wirbelgesteuerten Diffusors zu
verbessern und die Stabilität
der Wirbel zu verbessern, die durch Absenkung des statischen Druckes
innerhalb der Kammern 44a, 44b erzeugt werden,
indem Luft aus den Kammern 44a, 44b abgezapft
wird. Zu diesem Zweck verbindet eine Reihe von Kanälen 42 die äußere Kammer 44a mit
der inneren Kammer 44b. Diese Kanäle 42 befinden sich
innerhalb der ringförmigen
Anordnung von Diffusoranzapfstreben-Leitschaufeln 38, die sich
zwischen der inneren und der äußeren Wand 32 des stromabwärtigen Diffusorkanals 68 erstrecken.
Die Diffusorleitschaufel 38 kann auch einen ringförmigen Teiler 40 aufnehmen,
wie dies bei diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt ist und der zur Verteilung der Luft radial innerhalb
der Brennkammer beiträgt. Ein
Hauptanzapfkanal 46 ist mit der Kammer 44b verbunden,
um Luft sowohl aus der inneren Kammer 44a als auch aus
der äußeren Kammer 44b abzuzapfen.
Dieser Hauptanzapfkanal liegt radial innerhalb der Brennkammer und
erstreckt sich stromab nach dem stromabwärtigen Ende der Brennkammer
nach den Brennkammer-Auslassleitschaufeln 56. Zusätzlich wird
wirksam durch Abzapfen der Luft von den Diffusorwänden 32 die
Grenzschicht entfernt, die benachbart zu den Diffusorkanalwänden 30, 32 erzeugt wird.
Diese Grenzschicht hat eine relativ niedrige Geschwindigkeit und
niedrige Energie relativ zu dem Hauptteil der Strömung durch
den Kanal 66, 68 und beeinträchtigt demgemäß in schädlicher
Weise die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung. Die Grenzschicht ist
auch verantwortlich für
die Trennung, wodurch die Wirksamkeit des Diffusors vermindert wird.
Daher ist die Entfernung der Grenzschicht aus der Diffusorströmung vorteilhaft.
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Die
im Vergleich mit der Temperatur am Auslass 54 der Brennkammer 8 relativ
kühle,
vom Diffusor abgezapfte Luft wird über den Hauptanzapfkanal 46 nach
den inneren Kühlkanälen 58 innerhalb
der Auslassleitschaufeln 56 der Brennkammer geleitet. Obgleich
die abgezapfte Luft kühler
ist als die Temperatur am Auslass 54 der Brennkammer und
an stromaufwärtigen
Teilen der Turbinen 10, 12, 14, ist die
abgezapfte Luft dennoch heißer
als die Massenluftströmung
durch den Diffusorkanal 66, 68, da die abgezapfte
Luft aus dem Grenzschichtbereich herrührt, der heißer ist
als die Massenströmung.
Da jedoch die abgezapfte Luft durch den Hauptanzapfkanal 46 strömt, erfolgt
eine Wärmeübertragung,
wodurch die Temperatur der abgezapften Grenzschichtluft infolge der
niedrigeren Temperatur der Massenluftströmung vermindert wird, die den
Hauptanzapfkanal 46 umschließt.
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Die
inneren Kühlkanäle 58 sind
mit Effusionskühllöchern innerhalb
des hinteren stromabwärtigen
Abschnitts und der Nachlaufkante der Leitschaufeln 56 verbunden
und speisen diese mit Kühlluft.
Die abgezapfte Luft steht unter einer niedrigeren Temperatur als
die Luft benachbart zu den Leitschaufeln 56, so dass die
Anzapfluft die Leitschaufeln 56 kühlt. Infolge des aerodynamischen
Profils der Leitschaufeln 56 ist der statische Druck an
dem hinteren stromabwärtigen
Abschnitt und der Hinterkante der Leitschaufeln niedriger als der
Druck innerhalb der Diffusorkammer 44a, 44b. Daher
wird Luft aus der Kammer 44a, 44b über den
Hauptanzapfkanal 46 und die inneren Leitschaufelkühlkanäle 58 abgezapft
und über
den hinteren stromabwärtigen
Abschnitt und die an der Hinterkante befindlichen Effusionskühllöcher 60 abgezapft
und in die Hauptströmung
durch das Triebwerk zurückgeführt, wie
dies durch die Strömungspfeile
in 2 angegeben ist.
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Durch
diese Anordnung wird die vom Diffusor zur Verbesserung des Diffusorverhaltens
abgezapfte Luft auch in vorteilhafter Weise benutzt, um eine Kühlung der
Auslassleitschaufeln 56 zu bewirken und um außerdem einen
Kühlfilm
der äußeren Oberfläche der
Leitschaufeln 56 zu erzeugen und die Oberfläche der
Leitschaufeln 56 zu schützen.
Die vom Diffusor abgezapfte Luft wird auch in die Hauptströmung am
stromaufwärtigen
Ende der Hochdruckturbine 10 zurückgeführt. Die Abzapfluft, die durch den
stromaufwärtigen
Kompressor 6 verdichtet wurde, wird daher nicht vergeudet
und strömt
durch die Hochdruckturbine 10 und die anderen stromabwärtigen Turbinen 12, 14,
wo diese Strömung
einen nützlichen
Anteil von Arbeit liefert. Infolgedessen wird der Leistungsverlust,
der mit der Abzapfung von Hochdruckluft aus der Hauptströmung verknüpft ist,
vermindert. Außerdem
wird die dedizierte Kühlluft
benutzt, um die Auslassleitschaufeln 56 zu kühlen. Durch
die Benutzung von Luft, die aus dem Diffusor 7 abgezapft
werden muss, um das Verhalten des Diffusors 7 zu verbessern
und die Leitschaufeln 56 zu kühlen, ist weniger oder keine
dedizierte Kühlluft
erforderlich, die speziell nach derartigen Leitschaufeln 56 zum
Zwecke der Kühlung überführt werden
müsste.
Es ist daher klar, dass weitere Kühlluft zusätzlich zu der aus dem Diffusor
abgezapften Luft erforderlich sein kann, um die Schaufeln 56 zu
kühlen.
Derartige zusätzliche
Luft, insbesondere zur Kühlung
der Vorderkante der Leitschaufeln 56, wird in üblicher
Weise über
weitere nicht dargestellte Leitungen zugeführt, die auch zwischen den
Wänden 48, 49 verlaufen
können.
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Wie
dargestellt, sind die inneren Kühlkanäle 58 innerhalb
der Leitschaufeln 56 in dem stromlinienförmigen Abschnitt
der Leitschaufel 56 angeordnet. Die inneren und äußeren Plattformabschnitte 57a, 57b der
Leitschaufel 56, die die äußeren Wände des Strömungskanals durch die Schaufel 56 definieren, werden
ebenfalls der Gasströmung
hoher Temperatur ausgesetzt. Es ist bekannt, herkömmlich abgeleitete
Kühlluft
für jene
Abschnitte der Leitschaufel zu benutzen, wobei innere Kühlkanäle und Effusionskühllöcher innerhalb
dieser Leitschaufelplattformen benutzt werden. Bei abgewandelten
Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann der Hauptanzapfkanal mit diesen inneren Plattformkühlkanälen verbunden sein,
um eine Kühlung
der Leitschaufelplattformen 57a, 57b zu erzeugen.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den 3 bis 5 dargestellt.
Diese gleichen im Wesentlichen den in Verbindung mit 2 beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
Infolgedessen wurden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen
und nur die Unterschiede zwischen den verschiedenen Ausführungsbeispielen
werden im Folgenden beschrieben.
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Gemäß 3 ist
der Hauptanzapfkanal 46 gemäß 2 durch
einen abgewandelten Hauptanzapfkanal 45 ersetzt. Dieser
Anzapfkanal 45 verbindet in gleicher Weise den Diffusor 7 mit
der Auslassleitschaufel 56 der Brennkammer, um Luft aus
der inneren und äußeren Kammer 44a, 44b abzuzapfen.
In diesem Fall liegt der Anzapfkanal 45 jedoch radial außerhalb
der Brennkammer und ist mit der Kammer 44a verbunden. Luft
aus der inneren Kammer 44b wird durch den Kanal 42 in
die äußere Kammer 44a und
dann in den Anzapfkanal 45 abgezapft.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 sind
zwei Gruppen, nämlich
ein innerer Anzapfkanal 45 und ein äußerer Anzapfkanal 46,
vorgesehen. Diese verbinden jeweils die innere Kammer 44b bzw. die äußere Kammer 44a mit
dem Diffusor und fördern die
Anzapfluft nach den inneren und äußeren Enden der
inneren Kühlkanäle 58 innerhalb
der Leitschaufel 56 der Brennkammer. Der Kanal 42 (in 2 dargestellt)
und die Diffusoranzapfstreben-Leitschaufeln 38 sind jetzt
nicht mehr erforderlich. Die Strömung durch
den Diffusorkanal 68 wird dadurch verbessert und der Diffusor
vereinfacht. Es findet auch eine Gewichtsverminderung statt, jedoch
wird dies wenigstens teilweise durch das Erfordernis der beiden
Anzapfleitungen 45, 46 ausgeglichen, die anstelle
einer einzigen Leitung hierbei vorgesehen sind.
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Die
Strömungscharakteristiken
der Brennkammer können
dazu führen,
dass der statische Druck am stromabwärtigen Ende 54 der
Brennkammer genügend
klein im Vergleich mit dem Druck der Anzapfluft vom Diffusor 7 wird.
Wenn dies der Fall ist, dann kann, wie aus 5 ersichtlich,
die Anzapfluft vom Diffusor in den Hauptgasstrom an dieser Stelle 54 zurückgeführt werden,
wobei ein Kanal 47 den Diffusor 7 und das stromabwärtige Ende 54 der
Brennkammer verbindet.
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Die
vom Diffusor abgezapfte Luft kann auch an anderen geeigneten Stellen
innerhalb der stromabwärtigen
Abschnitte des Gasturbinentriebwerks 3 zurückgeführt werden,
beispielsweise nach anderen Leitschaufeln oder Leitschaufeln innerhalb
der Turbinenstufen oder sonst wo hin, wobei der Hauptanzapfkanal
eine Verbindung mit diesen Stellen herstellt. Die vom Diffusor abgezapfte
Luft kann in gleicher Weise benutzt werden, um eine Kühlung dieser
Stellen zu bewirken.
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Wie
dargestellt und in Verbindung mit den obigen Ausführungsbeispielen
beschrieben, sind die Anzapfkanäle 45, 46, 47 von
den Wänden 48, 49 der Brennkammer
getrennt. Es ist jedoch klar, dass dann, wenn die jeweiligen Wände 45, 48 eine
Doppelwandkonstruktion aufweisen, die Kanäle 45, 46, 47 in
diese Wände
integriert werden können,
wobei die Anzapfluft vom Diffusor 7 in den Raum zwischen
die Doppelwände
einströmt.
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Es
ist auch klar, dass, obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme
auf wirbelgesteuerte Anzapfdiffusoren beschrieben wurde, die Erfindung
auch anwendbar auf andere Typen von Anzapfdiffusoren ist.
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Infolge
der hervorragenden Leistungen sind derartige Anzapfdiffusoren meist
anwendbar zur Benutzung in Verbindung mit gestuften Doppelringbrennkammern.
Derartige Brennkammern erfüllen
einen beträchtlichen
Bedarf des Verhaltens eines Diffusors infolge des beträchtlichen
radialen Querschnitts, über
den die Einlassluft in derartigen Brennkammern verteilt werden muss.
Weiter sind diese Diffusoren vorteilhaft wegen der besonders gleichförmigen Einlassluftströmung und
der relativ kurzen axialen Länge,
die für
den Diffusor verfügbar
ist. Außerdem
ist es oft schwierig, ordnungsgemäß Luft nach den Brennern derartiger
Brennkammern zu liefern. Infolgedessen ist es, wie bei den Ausführungsbeispielen
der Erfindung beschrieben, gut möglich,
die Erfindung für gestufte
Brennkammern zu benutzen, da diese höchstwahrscheinlich einen Anzapfdiffusor
aufweisen. Es ist klar, dass die Erfindung in gleicher Weise für andere
Typen von Brennkammern Anwendung finden kann, die einen Anzapfdiffusor
erfordern.
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Die
durch die Wände 48, 49, 50, 51 definierte Brennkammer,
der Diffusor und die Anzapfkanäle 46, 45, 47 wurden
vorstehend alle als ringförmig
um die Triebwerksachse 1 herum beschrieben. Derartige Ringbrennkammeranordnungen
sind am weitesten bei modernen Gasturbinentriebwerken verbreitet.
Es ist jedoch klar, dass auch andere Brennkammeranordnungen bekannt
sind. Beispielsweise könnte
die Ringbrennkammer, die durch die Wände 50, 49 definiert
ist, durch mehrere einzelne zylindrische Brennkammern oder Brennrohre
ersetzt werden, die in Umfangsrichtung innerhalb der Brennkammer
verteilt sind. Es ist auch eine nicht ringförmige Diffusoranordnung möglich und
bekannt. Ein derartiger Diffusor umfasst eine Anzahl von getrennten
Diffusorkanälen. Der
Diffusor mit Anzapfkanälen 46, 45, 47 kann
auch eine Anzahl einzelner Leitungen aufweisen anstelle des einzigen
Ringkanals, wie dies in den verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt
und beschrieben wurde.