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.
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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:
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1 eine Querschnittsansicht eines Turbinentriebwerks, das einen Front-Fan, einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter beinhaltet; -
2 eine schematische Ansicht des in1 veranschaulichten Hochdruckverdichters, der ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem beinhaltet; -
3 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Kühlluftstrom-Verdichtersystems nach2 ; und -
4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kühlluftstrom-Verdichtersystems nach3 . -
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Turbinentriebwerks10 , das in Bezug auf eine zentrale Achse20 symmetrisch ist. Das Triebwerk10 beinhaltet in serieller Strömungsverbindung einen Front-Fan (einen Frontbläser)30 , einen mehrstufigen Niederdruckverdichter40 und einen mehrstufigen ersten Hochdruckverdichter52 . Der erste Hochdruckverdichter52 steht in Strömungsverbindung mit einer Brennkammer66 und einer Hochdruckturbine68 . Ein Fan-Bypasskanal120 umgibt die Verdichter40 und52 . - Während des Betriebs der Turbine
10 kann sich ein Luftstromfluss stromab durch den Fan30 und in den mehrstufigen Niederdruckverdichter40 hinein oder durch den Bypasskanal heraus bewegen. Der Stromfluss, der komprimiert wird, strömt weiter stromab durch den ersten Hochdruckverdichter52 , in dem die Luft stark unter Druck gesetzt wird. Mindestens ein Teil der unter hohem Druck stehenden Luft wird zu der Brennkammer66 geleitet, mit einem Treibstoff vermischt und gezündet, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die weiter stromab strömen und zum Antreiben des Front-Fans30 , des Niederdruckverdichters40 und des ersten Hochdruckverdichters52 verwendet werden. -
2 veranschaulicht ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem50 für ein Turbinentriebwerk (wie es in1 dargestellt ist). Das Kühlluftstrom-Verdichtersystem52 beinhaltet einen ersten bzw. primären Hochdruckverdichter52 , der sich in Strömungsverbindung mit einem zweiten bzw. sekundären Hochdruckverdichter54 befindet. Der erste Hochdruckverdichter52 beinhaltet mehrere Rotoren56 , die von mehreren Rotordeckbändern58 umgeben sind, die mit einem Statorgehäuse60 verbunden sind. Das Statorgehäuse60 umgibt mehrere Statoren62 . Ein erster Strömungspfad oder Durchgang64 ist durch die Rotoren56 , die Rotordeckbänder58 , das Statorgehäuse60 und die Statoren62 gebildet. Der erste Strömungspfad64 erstreckt sich durch den ersten Hochdruckverdichter52 , die Brennkammer66 und die Hochdruckturbine68 hindurch. - Ein zweiter Strömungspfad oder Durchgang
70 ist mit dem ersten Strömungspfad64 verbunden und steht mit diesem in Strömungsverbindung und zweigt einen Teil des ersten bzw. primären Luftstromflusses von dem ersten Hochdruckverdichter52 zu der Hochdruckturbine68 ab, ohne ihn durch die Brennkammer66 zu leiten. Der zweite Strömungspfad70 ist durch ein erstes Segment72 und ein zweites Segment74 gebildet und erstreckt sich durch einen ersten Wärmetauscher76 , den zweiten Hochdruckverdichter54 und eine Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung78 . Der zweite Strömungspfad70 umgeht die Brennkammer66 und steht an einem Punkt80 und an der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung78 mit dem ersten Strömungspfad64 in Strömungsverbindung. - Der erste Wärmetauscher
76 steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Hochdruckverdichter52 und dem zweiten Hochdruckverdichter54 . Der erste Wärmetauscher76 beinhaltet einen ersten Einlass82 , einen ersten Auslass84 und einen zweiten Auslass88 . Der erste Einlass82 des ersten Wärmetauschers steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Hochdruckverdichter52 , und der erste Auslass84 des ersten Wärmetauschers steht in Strömungsverbindung mit dem zweiten Hochdruckverdichter54 . Der zweite Einlass86 des ersten Wärmetauschers und der zweite Auslass88 stehen über einen Kühlstromfluss miteinander in Strömungsverbindung, der vollständiger weiter unten beschrieben ist. Der erste Einlass82 des ersten Wärmetauschers und der erste Auslass84 sind mit dem zweiten Strömungspfad70 über das erste Segment72 und das zweite Segment74 verbunden. - Der zweite Strömungspfad
70 beinhaltet einen ersten Stator90 und einen zweiten Stator92 , die mit dem ersten Segment72 und dem zweiten Segment74 verbunden sind. Ein Rotor94 ist über eine Hochdruckwelle96 mit der Hochdruckturbine68 und den Rotoren56 verbunden. Der Rotor94 , der erste Stator90 und der zweite Stator92 stehen in Flussverbindung mit dem zweiten Strömungspfad70 . - Der zweite Strömungspfad
70 ist mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung78 verbunden und ist in Strömungsverbindung. Ein erstes Rohr98 ist mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung78 und einem zweiten Wärmetauscher100 verbunden und steht mit diesen in Strömungsverbindung. Der zweite Wärmetauscher100 beinhaltet einen ersten Einlass102 , einen ersten Auslass104 , 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-Leiteinrichtung78 . Der zweite Einlass und der zweite Auslass des zweiten Wärmetauschers100 stehen ebenfalls in Strömungsverbindung mit dem Kühlstromfluss, der vollständiger unten beschrieben ist. Ein zweites Rohr106 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung78 und einer Turbine68 . - Die Turbine
68 ist mit einem dritten Rohr108 verbunden und steht mit diesem in Strömungsverbindung. Das dritte Rohr108 ist mit der Hochdruckturbinen-Leitschaufel78 verbunden und steht mit dieser in Strömungsverbindung. Die Turbine68 beinhaltet einen Kühlhohlraum (nicht gezeigt), und die Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung78 beinhaltet einen vorderen Bereich110 und einen hinteren Bereich112 . In einer Ausführungsform, beinhaltet das Kühlluftstrom-Verdichtersystem50 lediglich einen einzigen Wärmetauscher76 . Zusätzlich kann der zweite Strömungspfad70 eine beliebige Anzahl von Statoren90 und92 und Rotoren94 verwenden. - Während des Betriebs des Turbinentriebwerks wird ein Teil des ersten Luftstroms von dem ersten Strömungspfad
64 über den zweiten Strömungspfad70 abgezweigt und wird als Kühlluftstrom zur Kühlung der sich stromab von der Brennkammer66 befindenden Triebwerkskomponenten verwendet. Der Kühlluftstrom wird in dem zweiten Strömungspfad70 durch den ersten Wärmetauscher76 und den zweiten Hochdruckverdichter54 gekühlt und komprimiert. Der erste Wärmetauscher76 und der zweite Wärmetauscher100 leiten den Kühlluftstrom zum Kontakt mit der Kühlströmung zur Kühlung des Kühlluftstroms. Die Kühlströmung kann durch einen von dem (in1 veranschaulichten) Fan-Bypasskanal120 geleiteten Front-Fan-Luftstrom, einen Auslass von dem (in1 veranschaulichten) Niederdruckverdichter40 oder einen in4 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 Brennkammer66 geleitet wird. -
3 veranschaulicht ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem150 für ein in1 veranschaulichtes Turbinentriebwerk. Das Kühlluftstrom-Verdichtersystem150 beinhaltet einen ersten bzw. primären Hochdruckverdichter152 in Strömungsverbindung mit einem zweiten bzw. sekundären Hochdruckverdichter154 . Wie in3 gezeigt, beinhaltet der erste Hochdruckverdichter152 mehrere Rotoren156 , die von mehreren Rotordeckbändern158 umgeben sind, die mit einem Statorgehäuse160 verbunden sind. Das Statorgehäuse160 umgibt mehrere Statoren162 . - Ein erster Strömungspfad oder Durchgang
164 ist durch die Rotoren156 , die Rotordeckbänder158 , das Statorgehäuse160 und die Statoren162 ausgebildet. Der erste Strömungspfad164 erstreckt sich durch den ersten Hochdruckverdichter152 , die Brennkammer166 und eine Hochdruckturbine168 hindurch. Die Brennkammer166 und die Hochdruckturbine168 entsprechen unmittelbar der Brennkammer66 und der Hochdruckturbine68 (wie sie in1 und2 veranschaulicht sind). - Ein zweiter Strömungspfad oder Durchgang
170 ist mit dem ersten Strömungspfad164 verbunden und steht mit diesem in Strömungsverbindung und zweigt einen Teil des ersten Luftstromflusses von dem ersten Hochdruckverdichter152 zu der Hochdruckturbine168 ab, ohne diesen durch die Brennkammer166 zu führen. Der zweite Strömungspfad170 ist durch ein erstes Segment172 und ein zweites Segment174 begrenzt und erstreckt sich durch einen zweiten Hochdruckverdichter154 , einen Wärmetauscher176 und die Turbine168 hindurch. Der Strömungspfad170 umgeht die Brennkammer166 und steht über einen Punkt178 und an einer Hochdruck-Leiteinrichtung180 mit dem ersten Strömungspfad164 in Strömungsverbindung. - Ein Rotor
182 ist über eine Hochdruckwelle184 mit der Hochdruckturbine168 und den Rotoren156 verbunden. Der zweite Strömungspfad170 beinhaltet einen ersten Stator186 , der mit dem ersten Segment172 und dem zweiten Segment174 verbunden ist. Der Rotor182 und der Stator186 stehen in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungspfad170 . - Der zweite Strömungspfad
170 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit einem Wärmetauscher176 , der einen ersten Einlass188 und einen ersten Auslass190 beinhaltet. Der Wärmetauscher176 beinhaltet auch einen zweiten Einlass192 und einen zweiten Auslass194 in Strömungsverbindung mit einer Kühlströmung, die im Betrieb detailliert in Zusammenhang mit2 beschrieben ist. Ein zweiter Stator196 steht in Stromverbindung mit einem ersten Auslass190 und einem ersten Rohr198 , das mit einer Hochdruckturbine168 ist verbunden ist und in Strömungsverbindung steht. - Die Turbine
168 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit einem zweiten Rohr200 . Das zweite Rohr beinhaltet einen dritten Stator202 . Das zweite Rohr200 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit einer Hochdruck-Leiteinrichtung180 . Die Turbine168 beinhaltet einen nicht veranschaulichten Kühlhohlraum, und die Hochdruckleiteinrichtung180 beinhaltet einen vorderen Bereich204 und einen hinteren Bereich206 . Zusätzlich können der zweite Strömungspfad170 und das Kühlluftstrom-Verdichtersystem150 irgendeine beliebige Anzahl und Anordnung Zusammensetzung von Statoren186 ,196 und202 , Rotoren182 und Wärmetauschern176 verwenden. - Während des Betriebs des Turbinentriebwerks wird ein Teil eines ersten bzw. primären Luftstroms von dem ersten Hochdruckverdichter
152 zu dem zweiten Hochdruckverdichter154 abgezweigt bzw. umgeleitet und als Kühlluftstrom zur Kühlung der sich stromab von der Brennkammer166 befindenden Triebwerkskomponenten verwendet. Der Kühlluftstrom wird ferner durch den zweiten Hochdruckverdichter154 komprimiert und durch den Wärmetauscher176 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 und2 beschrieben ist. Die Kühlströmung kann ein von dem (in1 veranschaulichten) Fan-Bypass-Kanal120 geleiteter Front-Fan-Luftstrom, ein Auslass aus dem (in1 veranschaulichten) Niederdruckverdichter40 oder ein (in4 dargestellter) Triebwerkstreibstoffstromfluss sein. Alternativ kann der zweite bzw. sekundäre Hochdruckverdichter154 durch einen zweiten bzw. sekundären Niederdruckverdichter, der durch eine Niederdruckturbine angetrieben wird, oder durch eine Kombination aus der Turbine168 und der Niederdruckturbine gebildet sein. -
4 veranschaulicht ein Kühlluftstrom-Verdichtersystem250 für ein (in1 veranschaulichtes) Turbinentriebwerk. Das Kühlluftstrom-Verdichtersystem250 beinhaltet einen ersten bzw. primären Hochdruckverdichter252 , der mit einem zweiten bzw. sekundären Hochdruckverdichter254 über ein Brennkammergehäuse256 der Brennkammer258 und einen ersten Wärmetauscher260 in Strömungsverbindung steht. Wie in4 gezeigt, beinhaltet der erste Hochdruckverdichter252 mehrere Rotoren262 , die von mehreren Rotordeckbändern264 umgeben sind, die mit einem Statorgehäuse266 verbunden sind. Das Statorgehäuse266 umgibt mehrere Statoren268 . - Ein erster Strömungspfad oder Durchgang
270 ist durch die Rotoren262 , die Rotordeckbänder264 , das Statorgehäuse266 und die Statoren268 ausgebildet. Der erste Strömungspfad270 erstreckt sich durch den ersten Hochdruckverdichter252 , die Brennkammer258 und eine Hochdruckturbine272 hindurch. Die Brennkammer258 und die Hochdruckturbine272 entsprechen unmittelbar der Brennkammer66 und der Hochdruckturbine68 (wie sie in1 ,2 und3 veranschaulicht sind). - Ein zweiter Strömungspfad oder Durchgang
274 ist mit einem Brennkammergehäuse256 verbunden und steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Strömungspfad270 und leitet einen Teil der ersten Luftströmung von dem ersten Hochdruckverdichter252 zu der Hochdruckturbine272 um, ohne ihn durch die Brennkammer zu führen. Der zweite Strömungspfad274 ist von einem ersten Segment276 und einem zweiten Segment278 begrenzt und erstreckt sich durch den zweiten Hochdruckverdichter254 und eine Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung280 . Der zweite Strömungspfad274 umgeht die Brennkammer258 und steht an einem Punkt282 und an der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung280 mit dem ersten Strömungspfad270 in Strömungsverbindung. - Ein Rotor
282 ist über eine Hochdruckwelle284 mit der Hochdruckturbine272 und den Rotoren262 verbunden. Der zweite Strömungspfad274 beinhaltet einen ersten Stator286 und einen zweiten Stator288 , die mit dem ersten Segment276 und dem zweiten Segment278 verbunden sind. Der Rotor282 , der erste Stator286 und der zweite Stator288 stehen in Strömungsverbindung mit einem zweiten Strömungspfad274 . - Die Brennkammer
258 beinhaltet einen inneren Verbrennungshohlraum290 , der von dem Brennkammergehäuse256 umgeben ist. Das Brennkammergehäuse256 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Wärmetauscher260 . Der erste Wärmetauscher260 beinhaltet einen ersten Einlass292 , einen ersten Auslass294 , einen zweiten Einlass296 und einen zweiten Auslass298 . - Der zweiten Strömungspfad
274 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leit einrichtung280 . Ein erstes Rohr300 verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung280 und einem zweiten Wärmetauscher302 . Der zweite Wärmetauscher302 beinhaltet einen ersten Einlass304 , einen ersten Auslass306 , 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-Leiteinrichtung280 . Der zweite Einlass und der zweite Auslass des zweiten Wärmetauschers302 stehen ferner in Strömungsverbindung mit der Kühlströmung, die vollständiger unten beschrieben ist. Ein zweites Rohr310 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung280 und der Turbine272 . - Die Turbine
272 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit einem dritten Rohr312 . Das dritte Rohr312 ist verbunden und steht in Strömungsverbindung mit der Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung280 . Die Turbine272 beinhaltet einen (nicht veranschaulichten) Kühlhohlraum, und die Hochdruckturbinen-Leiteinrichtung280 beinhaltet einen vorderen Bereich314 und einen hinteren Bereich316 . In einer Ausführungsform beinhaltet das Kühlluftstrom-Verdichtersystem250 lediglich den ersten Wärmetauscher260 . Zusätzlich kann der Strömungspfad274 irgendeine Anzahl von Statoren286 und288 und Rotoren282 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 Brennkammergehäuse256 zu dem zweiten Hochdruckverdichter254 zirkuliert, abgezweigt und wird als Kühlluftstrom zur Kühlung von sich stromab von der Brennkammer258 befindenden Triebwerkskomponenten verwendet. Der Kühlluftstrom wird ferner durch den zweiten Hochdruckverdichter254 komprimiert und durch den ersten Wärmetauscher260 und den zweiten Wärmetauscher302 gekühlt. Der Luftstrom zirkuliert durch das Brennkammergehäuse256 und wird zur Kühlung der Brennkammer258 und des die Brennkammer258 umgebenden Statorgehäuses266 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 Brennkammer258 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 Wärmetauscher302 verwendete Kühlstrom kann ein Front-Fan-Luftstrom, der von dem (in1 veranschaulichten) Fan-Bypasskanal120 geleitet wird, oder der Auslass des (in1 veranschaulichten) Niederdruckverdichters40 sein. Der zweite Wärmetauscher302 funktioniert wie der erste Wärmetauscher260 , indem er den Kühlstrom durch Rohre oder Rohrleitungen befördert. In einer Ausführungsform beinhaltet das Kühlluftstrom-Verdichtersystem250 lediglich den ersten Wärmetauscher260 , und der zweite Hochdruckverdichter254 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 Turbine272 angetrieben, was zu einer Gesamteffizienzsteigerung des Systems führt resultiert und die zur weiteren Komprimierung des primären Luftstroms zusätzlich notwendigen Teile minimiert. Der erste Wärmetauscher260 und der zweite Wärmetauscher302 verringern die Temperatur des primären Luftstroms, was einen Kühlluftstrom ergibt, der kühler ist und unter höherem Druck steht als der Ausgangsdruck des ersten Hochdruckverdichters252 . Das Kühlluftstrom-Verdichtersystem250 ist als eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben und kann modifiziert werden, um gewünschte Leistungsmerkmale zu erreichen. Zusätzlich kann das Kühlluftstrom-Verdichtersystem250 an anderen Stellen positioniert werden. Der Kühlluftstrom kann dann zunehmend und wiederholt zur Kühlung von Triebwerkskomponenten stromab der Brennkammer258 , z.B. der Niederdruckturbinenstufen, verwendet werden.
Claims (10)
- 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. - 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. - 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. - 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. - Kühlluftstrom-Verdichtersystem nach Anspruch 1, wobei der eine Kühlfluidquelle besitzende zweite Wärmetauscher (
100 ) mit einem Luftstrom eines Frontbläsers (30 ) verbunden ist. - Kühlluftstrom-Verdichtersystem nach Anspruch 1, wobei der eine Kühlfluidquelle besitzende erste Wärmetauscher (
76 ) mit einem Triebwerks-Brennstoffstrom (86 ,88 ) verbunden ist. - 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. - 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.
- 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.
- 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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