DE60032042T2 - Kühlsystem für Gasturbinen - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft allgemein Turbinentriebwerke und insbesondere ein System und Verfahren zur verbesserten Kühlung von Turbinentriebwerken.
  • Gasturbinentriebwerke beinhalten typischerweise ein Haupttriebwerk, das einen mehrstufigen Axialfluss-Niederdruckverdichter und einen in serieller Strömungsverbindung mit ihm stehenden mehrstufigen Axialfluss-Hochdruckverdichter aufweist, der einen Hochdruckluftstromfluss zu einer Brennkammer liefert. Die Verdichter beinhalten Stufen von stationären Komponenten, die als Statoren bezeichnet werden, und als Rotoren bezeichnete Stufen von rotierenden Komponenten, die eine Arbeitsleistung hinzufügen und den in das Haupttriebwerkssystem eintretenden Luftstromfluss komprimieren.
  • Ein Teil des mit Hochdruck komprimierten Luftstromflusses, der zu der Brennkammer geliefert wird, wird mit einem Treibstoff gemischt, gezündet und genutzt, um heiße Antriebsverbrennungsgase zu erzeugen, die weiter stromab zu einem der mehrstufigen Strömungspfade strömen. Insbesondere strömen die Verbrennungsgase durch eine oder mehrere Turbinenstufen, die den heißen Antriebsverbrennungsgasen Energie entziehen, um die Rotoren in den Verdichtern anzutreiben und andere nützliche Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann eine Hochdruckturbine durch die heißen Antriebsverbrennungsgase gedreht werden und kann mit dem Hochdruckverdichter über eine Welle verbunden sein, so dass die Hochdruckturbine die Rotoren in dem Hochdruckverdichter antreibt.
  • Bei einem typischen Bypass-Turbinentriebwerk ist eine Niederdruckturbine nach der Hochdruckturbine angefügt, um den Niederdruckverdichter und einen vorderen Fan (einen Frontbläser) anzutreiben. Der Frontbläser ist vor dem Niederdruckverdichter angeordnet und treibt den Luftstrom in den Niederdruckverdichter. Der Luftfluss, der nicht durch den Niederdruckverdichter in das Haupttriebwerk eintritt, wird mittels eines Strömungsverteilers durch einen Bläser-Bypasskanal geleitet. Die Bypassluftströmung aus dem Bläser tritt aus dem Bläser-Bypasskanal aus, um einen Großteil des Triebwerksschubs zu liefern. Der Rest des Triebwerksschubs rührt von dem Haupttriebwerksluftfluss her, nachdem er die Turbinenstufen verlässt und aus den Ausstoßdüsen beschleunigt herausströmt.
  • Turbinentriebwerke sind konstruiert, um zur Maximierung des Triebwerksschubs bei hohen Temperaturen betrieben zu werden. Eine Kühlung der Triebwerkskomponenten, wie z.B. Komponenten der Hochdruckturbine, ist wegen der thermischen Belastungsbeschränkungen der bei der Konstruktion solcher Komponenten verwendeten Materialien notwendig. Typischerweise wird kühlere Luftströmung aus einem Auslass der Verdichter entnommen und die kühlere Luftströmung zur Kühlung von bspw. Turbinenschaufelblättern genutzt.
  • Z.B. kann ein Teil der mit Niederdruck komprimierten Luftströmung aus dem Niederdruckverdichter zur Turbinenbereichskühlung, Flugwerksdruckregelung, Enteisung und für andere Zwecke abgetrennt werden. Eine Druckerhöhung des Luftstromflusses in den Verdichtern steigert auch die relative Temperatur der Luftströmung und erweckt den Wunsch, die Luftströmung aus den Verdichtern nach einer minimalen Anzahl von Stufen abzuzweigen. Der verhältnismäßig niedrige Druck und die verhältnismäßig hohe Temperatur der Luftströmung begrenzt unglücklicherweise die effektive Nutzung der komprimierten Luftströmung zur Kühlung solcher Triebwerkskomponenten.
  • US 5,163,285 beschreibt ein Kühlsystem, das eine Antriebswelle, die ein Turbinenrotorrad mit einem Verdichterrotorrad verbindet, einen Wärmetauscher und einen Hilfsluftverdichter enthält, der als Teil der Antriebswelle ausgebildet ist.
  • WO 97/49902 A offenbart einen Verdichter, der innerhalb eines Verbrennungs-Turbinensystems liegt und der Luft mit erhöhtem Druck liefert, um heiße Endkomponenten zu kühlen.
  • Demgemäß ist es wünschenswert, eine kühlere Luftströmung zu Triebwerkskomponenten mit hoher Temperatur zu liefern. Außerdem ist es wünschenswert, den Druck der kühleren Luftströmung zu erhöhen, um mehr Komponenten zu kühlen und die Menge der verwendeten Kühlluft zu reduzieren.
  • Somit weist die Erfindung ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem auf, das eine bestehende Turbine verwendet, um einen ersten Hochdruckverdichter und einen zweiten Hochdruckverdichter anzutreiben.
  • Insbesondere und in einer beispielhaften Ausführungsform zweigt das Kühlluftstrom-Verdichtersystem einen Teil einer primären Luftströmung aus einem ersten Durchgang bzw. Strömungspfad, der Hochdruckverdichter ausgebildet ist, in einen zweiten Durchgang bzw. Strömungspfad ab, der in dem zweiten Hochdruckverdichter ausgebildet ist, um einen Kühl luftstrom zu erzeugen. Die Kühlluftströmung wird weiter durch einen Rotor komprimiert, der innerhalb des zweiten Strömungspfads angeordnet ist. Der Rotor ist durch die bestehende Hochdruckturbine angetrieben.
  • Ein Wärmetauscher ist mit dem zweiten Strömungspfad verbunden, um den Kühlluftstrom zu kühlen. Der erste Hochdruckverdichter leitet komprimierte Luft in eine Brennkammer. Der zweite Strömungspfad leitet komprimierte Luft von dem zweiten Hochdruckverdichter um die Brennkammer herum und durch eine Hochdruckturbinen-Leitschaufelstufe und eine Hochdruckturbinenlaufschaufel stromab von der Brennkammer hindurch. Der Kühlluftstrom wird dann zur Kühlung der Hochdruckturbinen-Leitschaufelstufen und -Laufschaufelstufen und zur Filmkühlung genutzt.
  • Der erhöhte Kühldruck der Kühlluftströmung ermöglicht einen größeren Spielraum bei der Konstruktion von Kühlkreisläufen, eine effiziente Nutzung des Kühlluftstroms und eine Erhöhung der Anzahl von Triebwerkskomponenten, die mit der Kühlluft gekühlt werden können. Zusätzlich hat der Kühlluftstrom eine Gesamtwirkungsgradverbesserung und eine Minimierung von zusätzlichen Teilen zur Folge.
  • Die Erfindung ist nun detaillierter zu Beispielszwecken unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht eines Turbinentriebwerks, das einen Front-Fan, einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter beinhaltet;
  • 2 eine schematische Ansicht des in 1 veranschaulichten Hochdruckverdichters, der ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem beinhaltet;
  • 3 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Kühlluftstrom-Verdichtersystems nach 2; und
  • 4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kühlluftstrom-Verdichtersystems nach 3.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Turbinentriebwerks 10, das in Bezug auf eine zentrale Achse 20 symmetrisch ist. Das Triebwerk 10 beinhaltet in serieller Strömungsverbindung einen Front-Fan (einen Frontbläser) 30, einen mehrstufigen Niederdruckverdichter 40 und einen mehrstufigen ersten Hochdruckverdichter 52. Der erste Hochdruckverdichter 52 steht in Strömungsverbindung mit einer Brennkammer 66 und einer Hochdruckturbine 68. Ein Fan-Bypasskanal 120 umgibt die Verdichter 40 und 52.
  • Während des Betriebs der Turbine 10 kann sich ein Luftstromfluss stromab durch den Fan 30 und in den mehrstufigen Niederdruckverdichter 40 hinein oder durch den Bypasskanal heraus bewegen. Der Stromfluss, der komprimiert wird, strömt weiter stromab durch den ersten Hochdruckverdichter 52, in dem die Luft stark unter Druck gesetzt wird. Mindestens ein Teil der unter hohem Druck stehenden Luft wird zu der Brennkammer 66 geleitet, mit einem Treibstoff vermischt und gezündet, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die weiter stromab strömen und zum Antreiben des Front-Fans 30, des Niederdruckverdichters 40 und des ersten Hochdruckverdichters 52 verwendet werden.
  • 2 veranschaulicht ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem 50 für ein Turbinentriebwerk (wie es in 1 dargestellt ist). Das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 52 beinhaltet einen ersten bzw. primären Hochdruckverdichter 52, der sich in Strömungsverbindung mit einem zweiten bzw. sekundären Hochdruckverdichter 54 befindet. Der erste Hochdruckverdichter 52 beinhaltet mehrere Rotoren 56, die von mehreren Rotordeckbändern 58 umgeben sind, die mit einem Statorgehäuse 60 verbunden sind. Das Statorgehäuse 60 umgibt mehrere Statoren 62. Ein erster Strömungspfad oder Durchgang 64 ist durch die Rotoren 56, die Rotordeckbänder 58, das Statorgehäuse 60 und die Statoren 62 gebildet. Der erste Strömungspfad 64 erstreckt sich durch den ersten Hochdruckverdichter 52, die Brennkammer 66 und die Hochdruckturbine 68 hindurch.
  • Ein zweiter Strömungspfad oder Durchgang 70 ist mit dem ersten Strömungspfad 64 verbunden und steht mit diesem in Strömungsverbindung und zweigt einen Teil des ersten bzw. primären Luftstromflusses von dem ersten Hochdruckverdichter 52 zu der Hochdruckturbine 68 ab, ohne ihn durch die Brennkammer 66 zu leiten. Der zweite Strömungspfad 70 ist durch ein erstes Segment 72 und ein zweites Segment 74 gebildet und erstreckt sich durch einen ersten Wärmetauscher 76, den zweiten Hochdruckverdichter 54 und eine Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 78. Der zweite Strömungspfad 70 umgeht die Brennkammer 66 und steht an einem Punkt 80 und an der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 78 mit dem ersten Strömungspfad 64 in Strömungsverbindung.
  • Der erste Wärmetauscher 76 steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Hochdruckverdichter 52 und dem zweiten Hochdruckverdichter 54. Der erste Wärmetauscher 76 beinhaltet einen ersten Einlass 82, einen ersten Auslass 84 und einen zweiten Auslass 88. Der erste Einlass 82 des ersten Wärmetauschers steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Hochdruckverdichter 52, und der erste Auslass 84 des ersten Wärmetauschers steht in Strömungsverbindung mit dem zweiten Hochdruckverdichter 54. Der zweite Einlass 86 des ersten Wärmetauschers und der zweite Auslass 88 stehen über einen Kühlstromfluss miteinander in Strömungsverbindung, der vollständiger weiter unten beschrieben ist. Der erste Einlass 82 des ersten Wärmetauschers und der erste Auslass 84 sind mit dem zweiten Strömungspfad 70 über das erste Segment 72 und das zweite Segment 74 verbunden.
  • Der zweite Strömungspfad 70 beinhaltet einen ersten Stator 90 und einen zweiten Stator 92, die mit dem ersten Segment 72 und dem zweiten Segment 74 verbunden sind. Ein Rotor 94 ist über eine Hochdruckwelle 96 mit der Hochdruckturbine 68 und den Rotoren 56 verbunden. Der Rotor 94, der erste Stator 90 und der zweite Stator 92 stehen in Flussverbindung mit dem zweiten Strömungspfad 70.
  • Der zweite Strömungspfad 70 ist mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 78 verbunden und ist in Strömungsverbindung. Ein erstes Rohr 98 ist mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 78 und einem zweiten Wärmetauscher 100 verbunden und steht mit diesen in Strömungsverbindung. Der zweite Wärmetauscher 100 beinhaltet einen ersten Einlass 102, einen ersten Auslass 104, einen zweiten Einlass (nicht gezeigt) und einen zweiten Auslass (nicht gezeigt).
  • Der erste Auslass 104 des zweiten Wärmetauschers ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der einer Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 78. Der zweite Einlass und der zweite Auslass des zweiten Wärmetauschers 100 stehen ebenfalls in Strömungsverbindung mit dem Kühlstromfluss, der vollständiger unten beschrieben ist. Ein zweites Rohr 106 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 78 und einer Turbine 68.
  • Die Turbine 68 ist mit einem dritten Rohr 108 verbunden und steht mit diesem in Strömungsverbindung. Das dritte Rohr 108 ist mit der Hochdruckturbinen-Leitschaufel 78 verbunden und steht mit dieser in Strömungsverbindung. Die Turbine 68 beinhaltet einen Kühlhohlraum (nicht gezeigt), und die Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 78 beinhaltet einen vorderen Bereich 110 und einen hinteren Bereich 112. In einer Ausführungsform, beinhaltet das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 50 lediglich einen einzigen Wärmetauscher 76. Zusätzlich kann der zweite Strömungspfad 70 eine beliebige Anzahl von Statoren 90 und 92 und Rotoren 94 verwenden.
  • Während des Betriebs des Turbinentriebwerks wird ein Teil des ersten Luftstroms von dem ersten Strömungspfad 64 über den zweiten Strömungspfad 70 abgezweigt und wird als Kühlluftstrom zur Kühlung der sich stromab von der Brennkammer 66 befindenden Triebwerkskomponenten verwendet. Der Kühlluftstrom wird in dem zweiten Strömungspfad 70 durch den ersten Wärmetauscher 76 und den zweiten Hochdruckverdichter 54 gekühlt und komprimiert. Der erste Wärmetauscher 76 und der zweite Wärmetauscher 100 leiten den Kühlluftstrom zum Kontakt mit der Kühlströmung zur Kühlung des Kühlluftstroms. Die Kühlströmung kann durch einen von dem (in 1 veranschaulichten) Fan-Bypasskanal 120 geleiteten Front-Fan-Luftstrom, einen Auslass von dem (in 1 veranschaulichten) Niederdruckverdichter 40 oder einen in 4 veranschaulichten Triebwerkstreibstoffstromfluss gebildet sein.
  • Der erste Wärmetauscher 76 arbeitet, indem er die Kühlströmung durch (nicht veranschaulichte) Rohre und Leitungen hindurchführt. Der Kühlluftstrom wird dann über und um die Rohre herum geleitet, die die Kühlströmung führen. Zwischen der Kühlströmung und dem Kühlluftstrom findet ein Wärmeaustausch statt, wobei Wärme oder Energie von dem Kühlluftstrom auf die Kühlströmung überführt wird. Der Kühlluftstrom wird dann gekühlt, während die Kühlströmung erwärmt wird. Wenn die Kühlströmung ein Triebwerkstreibstoff ist, wird sie erwärmt und lässt eine schnellere Ausdehnung und Energieerzeugung zu, wenn sie in die Brennkammer 66 geleitet wird.
  • 3 veranschaulicht ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem 150 für ein in 1 veranschaulichtes Turbinentriebwerk. Das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 150 beinhaltet einen ersten bzw. primären Hochdruckverdichter 152 in Strömungsverbindung mit einem zweiten bzw. sekundären Hochdruckverdichter 154. Wie in 3 gezeigt, beinhaltet der erste Hochdruckverdichter 152 mehrere Rotoren 156, die von mehreren Rotordeckbändern 158 umgeben sind, die mit einem Statorgehäuse 160 verbunden sind. Das Statorgehäuse 160 umgibt mehrere Statoren 162.
  • Ein erster Strömungspfad oder Durchgang 164 ist durch die Rotoren 156, die Rotordeckbänder 158, das Statorgehäuse 160 und die Statoren 162 ausgebildet. Der erste Strömungspfad 164 erstreckt sich durch den ersten Hochdruckverdichter 152, die Brennkammer 166 und eine Hochdruckturbine 168 hindurch. Die Brennkammer 166 und die Hochdruckturbine 168 entsprechen unmittelbar der Brennkammer 66 und der Hochdruckturbine 68 (wie sie in 1 und 2 veranschaulicht sind).
  • Ein zweiter Strömungspfad oder Durchgang 170 ist mit dem ersten Strömungspfad 164 verbunden und steht mit diesem in Strömungsverbindung und zweigt einen Teil des ersten Luftstromflusses von dem ersten Hochdruckverdichter 152 zu der Hochdruckturbine 168 ab, ohne diesen durch die Brennkammer 166 zu führen. Der zweite Strömungspfad 170 ist durch ein erstes Segment 172 und ein zweites Segment 174 begrenzt und erstreckt sich durch einen zweiten Hochdruckverdichter 154, einen Wärmetauscher 176 und die Turbine 168 hindurch. Der Strömungspfad 170 umgeht die Brennkammer 166 und steht über einen Punkt 178 und an einer Hochdruck-Leiteinrichtung 180 mit dem ersten Strömungspfad 164 in Strömungsverbindung.
  • Ein Rotor 182 ist über eine Hochdruckwelle 184 mit der Hochdruckturbine 168 und den Rotoren 156 verbunden. Der zweite Strömungspfad 170 beinhaltet einen ersten Stator 186, der mit dem ersten Segment 172 und dem zweiten Segment 174 verbunden ist. Der Rotor 182 und der Stator 186 stehen in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungspfad 170.
  • Der zweite Strömungspfad 170 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit einem Wärmetauscher 176, der einen ersten Einlass 188 und einen ersten Auslass 190 beinhaltet. Der Wärmetauscher 176 beinhaltet auch einen zweiten Einlass 192 und einen zweiten Auslass 194 in Strömungsverbindung mit einer Kühlströmung, die im Betrieb detailliert in Zusammenhang mit 2 beschrieben ist. Ein zweiter Stator 196 steht in Stromverbindung mit einem ersten Auslass 190 und einem ersten Rohr 198, das mit einer Hochdruckturbine 168 ist verbunden ist und in Strömungsverbindung steht.
  • Die Turbine 168 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit einem zweiten Rohr 200. Das zweite Rohr beinhaltet einen dritten Stator 202. Das zweite Rohr 200 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit einer Hochdruck-Leiteinrichtung 180. Die Turbine 168 beinhaltet einen nicht veranschaulichten Kühlhohlraum, und die Hochdruckleiteinrichtung 180 beinhaltet einen vorderen Bereich 204 und einen hinteren Bereich 206. Zusätzlich können der zweite Strömungspfad 170 und das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 150 irgendeine beliebige Anzahl und Anordnung Zusammensetzung von Statoren 186, 196 und 202, Rotoren 182 und Wärmetauschern 176 verwenden.
  • Während des Betriebs des Turbinentriebwerks wird ein Teil eines ersten bzw. primären Luftstroms von dem ersten Hochdruckverdichter 152 zu dem zweiten Hochdruckverdichter 154 abgezweigt bzw. umgeleitet und als Kühlluftstrom zur Kühlung der sich stromab von der Brennkammer 166 befindenden Triebwerkskomponenten verwendet. Der Kühlluftstrom wird ferner durch den zweiten Hochdruckverdichter 154 komprimiert und durch den Wärmetauscher 176 gekühlt.
  • Der Wärmetauscher 176 leitet den Kühlluftstrom zum Kontakt mit der Kühlströmung und kühlt den Kühlluftstrom, wie dies im Detail in Zusammenhang mit der Funktionsweise und 2 beschrieben ist. Die Kühlströmung kann ein von dem (in 1 veranschaulichten) Fan-Bypass-Kanal 120 geleiteter Front-Fan-Luftstrom, ein Auslass aus dem (in 1 veranschaulichten) Niederdruckverdichter 40 oder ein (in 4 dargestellter) Triebwerkstreibstoffstromfluss sein. Alternativ kann der zweite bzw. sekundäre Hochdruckverdichter 154 durch einen zweiten bzw. sekundären Niederdruckverdichter, der durch eine Niederdruckturbine angetrieben wird, oder durch eine Kombination aus der Turbine 168 und der Niederdruckturbine gebildet sein.
  • 4 veranschaulicht ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem 250 für ein (in 1 veranschaulichtes) Turbinentriebwerk. Das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 250 beinhaltet einen ersten bzw. primären Hochdruckverdichter 252, der mit einem zweiten bzw. sekundären Hochdruckverdichter 254 über ein Brennkammergehäuse 256 der Brennkammer 258 und einen ersten Wärmetauscher 260 in Strömungsverbindung steht. Wie in 4 gezeigt, beinhaltet der erste Hochdruckverdichter 252 mehrere Rotoren 262, die von mehreren Rotordeckbändern 264 umgeben sind, die mit einem Statorgehäuse 266 verbunden sind. Das Statorgehäuse 266 umgibt mehrere Statoren 268.
  • Ein erster Strömungspfad oder Durchgang 270 ist durch die Rotoren 262, die Rotordeckbänder 264, das Statorgehäuse 266 und die Statoren 268 ausgebildet. Der erste Strömungspfad 270 erstreckt sich durch den ersten Hochdruckverdichter 252, die Brennkammer 258 und eine Hochdruckturbine 272 hindurch. Die Brennkammer 258 und die Hochdruckturbine 272 entsprechen unmittelbar der Brennkammer 66 und der Hochdruckturbine 68 (wie sie in 1, 2 und 3 veranschaulicht sind).
  • Ein zweiter Strömungspfad oder Durchgang 274 ist mit einem Brennkammergehäuse 256 verbunden und steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Strömungspfad 270 und leitet einen Teil der ersten Luftströmung von dem ersten Hochdruckverdichter 252 zu der Hochdruckturbine 272 um, ohne ihn durch die Brennkammer zu führen. Der zweite Strömungspfad 274 ist von einem ersten Segment 276 und einem zweiten Segment 278 begrenzt und erstreckt sich durch den zweiten Hochdruckverdichter 254 und eine Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 280. Der zweite Strömungspfad 274 umgeht die Brennkammer 258 und steht an einem Punkt 282 und an der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 280 mit dem ersten Strömungspfad 270 in Strömungsverbindung.
  • Ein Rotor 282 ist über eine Hochdruckwelle 284 mit der Hochdruckturbine 272 und den Rotoren 262 verbunden. Der zweite Strömungspfad 274 beinhaltet einen ersten Stator 286 und einen zweiten Stator 288, die mit dem ersten Segment 276 und dem zweiten Segment 278 verbunden sind. Der Rotor 282, der erste Stator 286 und der zweite Stator 288 stehen in Strömungsverbindung mit einem zweiten Strömungspfad 274.
  • Die Brennkammer 258 beinhaltet einen inneren Verbrennungshohlraum 290, der von dem Brennkammergehäuse 256 umgeben ist. Das Brennkammergehäuse 256 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Wärmetauscher 260. Der erste Wärmetauscher 260 beinhaltet einen ersten Einlass 292, einen ersten Auslass 294, einen zweiten Einlass 296 und einen zweiten Auslass 298.
  • Der zweiten Strömungspfad 274 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leit einrichtung 280. Ein erstes Rohr 300 verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 280 und einem zweiten Wärmetauscher 302. Der zweite Wärmetauscher 302 beinhaltet einen ersten Einlass 304, einen ersten Auslass 306, einen zweiten Einlass (nicht gezeigt) und einen zweiten Auslass (nicht gezeigt).
  • Der erste Auslass 306 des zweiten Wärmetauschers ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 280. Der zweite Einlass und der zweite Auslass des zweiten Wärmetauschers 302 stehen ferner in Strömungsverbindung mit der Kühlströmung, die vollständiger unten beschrieben ist. Ein zweites Rohr 310 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 280 und der Turbine 272.
  • Die Turbine 272 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit einem dritten Rohr 312. Das dritte Rohr 312 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 280. Die Turbine 272 beinhaltet einen (nicht veranschaulichten) Kühlhohlraum, und die Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung 280 beinhaltet einen vorderen Bereich 314 und einen hinteren Bereich 316. In einer Ausführungsform beinhaltet das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 250 lediglich den ersten Wärmetauscher 260. Zusätzlich kann der Strömungspfad 274 irgendeine Anzahl von Statoren 286 und 288 und Rotoren 282 verwenden.
  • Während des Betriebs des Turbinentriebwerks wird ein Teil des ersten bzw. primären Luftstroms von dem ersten Hochdruckverdichter 252 und dem Luftstrom, der durch das Brennkammergehäuse 256 zu dem zweiten Hochdruckverdichter 254 zirkuliert, abgezweigt und wird als Kühlluftstrom zur Kühlung von sich stromab von der Brennkammer 258 befindenden Triebwerkskomponenten verwendet. Der Kühlluftstrom wird ferner durch den zweiten Hochdruckverdichter 254 komprimiert und durch den ersten Wärmetauscher 260 und den zweiten Wärmetauscher 302 gekühlt. Der Luftstrom zirkuliert durch das Brennkammergehäuse 256 und wird zur Kühlung der Brennkammer 258 und des die Brennkammer 258 umgebenden Statorgehäuses 266 verwendet.
  • Der erste Wärmetauscher 260 leitet den Kühlluftstrom in Kontakt mit dem Triebwerkstreibstofffluss und kühlt den Kühlluftstrom, während er den Triebwerkstreibstofffluss erwärmt und expandiert. Der Kühlluftstrom wird über und um die nicht veranschaulichten Rohre und Leitungen herum geleitet, die den Triebwerkstreibstoff zu der Brennkammer 258 führen. Zwischen dem Triebwerkstreibstoff und dem Kühlluftstrom findet ein Wärmeaustausch statt, wobei die Wärme oder Energie von dem Kühlluftstrom zu dem Triebwerkstreibstoff überführt wird. Der Kühlluftstrom wird dann gekühlt, während der Triebwerkstreibstoff erwärmt wird.
  • Der zweite Wärmetauscher 302 leitet den Kühlluftstrom in Kontakt mit der Kühlströmung. Der in dem zweiten Wärmetauscher 302 verwendete Kühlstrom kann ein Front-Fan-Luftstrom, der von dem (in 1 veranschaulichten) Fan-Bypasskanal 120 geleitet wird, oder der Auslass des (in 1 veranschaulichten) Niederdruckverdichters 40 sein. Der zweite Wärmetauscher 302 funktioniert wie der erste Wärmetauscher 260, indem er den Kühlstrom durch Rohre oder Rohrleitungen befördert. In einer Ausführungsform beinhaltet das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 250 lediglich den ersten Wärmetauscher 260, und der zweite Hochdruckverdichter 254 kann ein zweiter bzw. sekundärer Niederdruckverdichter sein, der von einer Niederdruckturbine oder durch irgendeine andere Kombination von Turbinen oder Triebwerkskomponenten angetrieben wird.
  • Der zweite Hochdruckverdichter 254 ist von der Turbine 272 angetrieben, was zu einer Gesamteffizienzsteigerung des Systems führt resultiert und die zur weiteren Komprimierung des primären Luftstroms zusätzlich notwendigen Teile minimiert. Der erste Wärmetauscher 260 und der zweite Wärmetauscher 302 verringern die Temperatur des primären Luftstroms, was einen Kühlluftstrom ergibt, der kühler ist und unter höherem Druck steht als der Ausgangsdruck des ersten Hochdruckverdichters 252. Das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 250 ist als eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben und kann modifiziert werden, um gewünschte Leistungsmerkmale zu erreichen. Zusätzlich kann das Kühlluftstrom-Verdichtersystem 250 an anderen Stellen positioniert werden. Der Kühlluftstrom kann dann zunehmend und wiederholt zur Kühlung von Triebwerkskomponenten stromab der Brennkammer 258, z.B. der Niederdruckturbinenstufen, verwendet werden.

Claims (10)

  1. Kühlluftstrom-Verdichtersystem (50) für ein Turbinentriebwerk (10), wobei das System aufweist: eine Hochdruckturbine (68); einen ersten Verdichter (52) stromauf vor der Hochdruckturbine (68), wobei der erste Verdichter in Strömungsverbindung mit einer Brennkammer (66) ein Antriebsfluid durch einen ersten Strömungspfad (64) zum Antreiben der Hochdruckturbine erzeugt; einen zweiten Verdichter (54) in einem mit der Hochdruckturbine (68) verbundenen zweiten Strömungspfad (70), wobei der zweite Verdichter stromab von dem ersten Verdichter angeordnet ist, um einen aus dem ersten Strömungspfad zu dem zweiten Strömungspfad umgeleiteten Luftstrom zum Kühlen der Hochdruckturbine aufzunehmen, und einen ersten Wärmetauscher (76) stromauf vor dem zweiten Verdichter und in Strömungsverbindung mit dem zweiten Verdichter zum Kühlen des aus dem ersten Strömungspfad umgeleiteten Luftstroms, und gekennzeichnet durch: einen zweiten Wärmetauscher (100) stromab von und mit dem zweiten Verdichter verbunden, wobei der erste und der zweite Wärmetauscher jeweils mit einer Kühlfluidquelle verbunden sind.
  2. Kühlluftstrom-Verdichtersystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Verdichter (54) ein erstes Segment (72) und ein mit dem ersten Strömungspfad verbundenes zweites Segment (74) aufweist, wobei das erste und das zweite Segment den zweiten Strömungspfad (70) definieren, und der zweite Strömungspfad dafür eingerichtet ist, die Brennkammer zu umgehen.
  3. Kühlluftstrom-Verdichtersystem nach Anspruch 2, wobei der zweite Verdichter wenigstens einen Rotor (94) und wenigstens einen Stator (90) in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungspfad aufweist und der Rotor mit der Turbine (68) und der Stator mit dem ersten Segment (72) verbunden ist.
  4. Kühlluftstrom-Verdichtersystem nach Anspruch 3, wobei der erste Wärmetauscher (76) einen ersten Einlass (82) stromab von dem ersten Verdichter und einen ersten Auslass (84) stromauf vor dem zweiten Verdichter (54) aufweist.
  5. Kühlluftstrom-Verdichtersystem nach Anspruch 1, wobei der eine Kühlfluidquelle besitzende zweite Wärmetauscher (100) mit einem Luftstrom eines Frontbläsers (30) verbunden ist.
  6. Kühlluftstrom-Verdichtersystem nach Anspruch 1, wobei der eine Kühlfluidquelle besitzende erste Wärmetauscher (76) mit einem Triebwerks-Brennstoffstrom (86, 88) verbunden ist.
  7. Verfahren zum Reduzieren eines in einem Turbinentriebwerk (10) genutzten Kühlluftstroms (80), das einen ersten Verdichter (52) in Strömungsverbindung mit einer Brennkammer (66), die Antriebsfluid durch einen ersten Strömungspfad (64) zum Antreiben einer Hochdruckturbine (68) erzeugt, und einen zweiten Verdichter (76) in einem mit dem ersten Strömungspfad verbundenen zweiten Strömungspfad zum Aufnehmen von umgeleiteter Luft aus dem ersten Verdichter enthält, wobei der zweite Verdichter zur Lieferung von Kühlluft an die Hochdruckturbine dient, mit den Schritten: Kühlen des aus dem ersten Strömungspfad umgeleiteten Luftstroms in einem ersten Wärmetauscher (76) in dem zweiten Strömungspfad stromauf vor dem zweiten Verdichter; Kühlen einer Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung (78) stromab nach dem zweiten Verdichter; Kühlen des umgeleiteten Luftstroms stromab nach der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung in einem zweiten Wärmetauscher (100); Erhöhen des Druckes des Kühlluftstroms in dem von der Hochdruckturbine angetriebenen zweiten Verdichter.
  8. Verfahren zum Reduzieren des Kühlluftstroms nach Anspruch 7, wobei der Schritt der Erhöhung des Druckes die Schritte der Kühlung des Kühlluftstroms in den Wärmetauschern und die Komprimierung des Kühlluftstroms in dem zweiten Verdichter umfasst.
  9. Verfahren zum Reduzieren des Kühlluftstroms nach Anspruch 7, wobei der Schritt der Kühlung des umgeleiteten Kühlluftstroms die Schritte umfasst: Leiten des umgeleiteten Luftstroms in die Wärmetauscher; Leiten eines Kühlstroms in Kontakt mit dem umgeleiteten Luftstrom in den Wärmetauschern.
  10. Verfahren zum Reduzieren des Kühlluftstroms nach Anspruch 7, wobei der Schritt der Erhöhung des Druckes des Kühlluftstroms die Schritte aufweist: Betreiben einer Rotorlaufschaufel in dem zweiten Verdichter mit der Hochdruckturbine; und Leiten des Kühlluftstroms durch Statorleitschaufeln und Rotorlaufschaufeln in dem zweiten Verdichter.
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