DE69421300T2

DE69421300T2 - Kühlsystem für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE69421300T2
Application number: DE69421300T
Authority: DE
Inventors: George Albert Coffinberry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1994-01-21
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2014-01-22
Also published as: EP0608142B1; JPH06294329A; CA2107429C; EP0608142A1; DE69421300D1; CA2107429A1; JPH0713473B2; US5392614A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf ein System zum Kühlen eines derartigen Triebwerkes.
Gasturbinentriebwerke (wie beispielsweise Turbostrahl- Triebwerke, Bypass-Turbofan-Triebwerke, Turboprop-Triebwerke, Turbowellen-Triebwerke usw.) können zum Antrieb von Flugfahrzeugen (wie beispielsweise Flugzeuge, Helikopter und Marschflugkörper usw.) und auch zum Antrieb von Schiffen, Panzern, Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie, Pipeline- Pumpeinrichtungen usw. verwendet werden. Zu Darstellungszwecken wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Flugzeug-Bypass- Turbofan-Gasturbinentriebwerk beschrieben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung in gleicher Weise auf andere Typen und/oder Verwendungen von Gasturbinentriebwerken anwendbar ist.
Ein Gasturbinentriebwerk enthält ein Kerntriebwerk, das in einer Reihenströmungsanordnung einen Hochdruckverdichter (auch Kernverdichter genannt), um die in das Kerntriebwerk eintretende Luftströmung zu verdichten, eine Brennkammer, in der ein Gemisch von Brennstoff und der verdichteten Luft verbrannt wird, um eine antreibende Gasströmung zu erzeugen, und eine Hochdruckturbine aufweist, die durch die antreibende Gasströmung in Drehung versetzt wird und die durch eine einen größeren Durchmesser aufweisende Welle verbunden ist, um den Hochdruckverdichter anzutreiben. Ein übliches Flugzeug-Bypass-Turbofan- Gasturbinentriebwerk hat weiterhin eine Niederdruckturbine (die stromabwärts von der Hochdruckturbine angeordnet ist), die durch eine einen kleineren Durchmesser aufweisende koaxiale Welle verbunden ist, um einen Front-Fan (der stromaufwärts von dem Hochdruckverdichter angeordnet ist) anzutreiben, der von einer Gondel umgeben ist und der auch einen Niederdruckverdichter antreiben kann (der zwischen dem Front-Fan und dem Hochdruckverdichter angeordnet ist). Der Niederdruckverdichter wird manchmal ein Booster-Verdichter oder einfach ein Booster genannt. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Begriff "Verdichter", ohne Einschränkung, Hochdruckverdichter und Niederdruckverdichter umfasst. Ein Strömungsteiler, der zwischen dem Fan und dem ersten (gewöhnlich dem Niederdruck-) Verdichter angeordnet ist, teilt die Luft, die den Fan verlässt, in eine Kerntriebwerks-Luftströmung und eine umgebende Bypass- Luftströmung. Die Bypass-Luftströmung aus dem Fan verlässt den Fan-Bypass-Kanal, um den größten Teil des Triebwerkschubes für das Flugzeug zu liefern. Ein Teil des Triebwerkschubes kommt aus der Kerntriebwerks-Luftströmung, nachdem sie durch die Nieder- und Hochdruckverdichter zur Brennkammer strömt und durch die Nieder- und Hochdruckturbinen expandiert ist und aus der Abgasdüse beschleunigt worden ist.
Flugzeug-Bypass-Turbofan-Gasturbinentriebwerke sind so ausgelegt, dass sie bei hohen Temperaturen arbeiten, um den Triebwerksschub zu maximieren. Eine Kühlung von Triebwerkskomponenten des heißen Abschnittes (wie beispielsweise der Brennkammer, der Hochdruckturbine, der Niederdruckturbine und ähnliches) wird notwendig aufgrund der thermischen Rotlinien- Grenzwerte der Materialien, die bei der Konstruktion derartiger Komponenten verwendet werden. Üblicherweise wird eine Kühlung von einem Abschnitt des Triebwerkes dadurch erreicht, dass kältere Luft (auch Abzapfluft genannt) aus den Hoch- und/oder Niederdruckverdichtern zu diesen Triebwerkskomponenten geleitet wird, die eine derartige Kühlung erfordern. Leider schränkt der relativ niedrige Druck und die heiße Temperatur der Verdichterluft ihre Fähigkeit ein, zur Kühlung derartiger Triebwerkskomponenten verwendet zu werden.
EP-A-0 564 135 (das unter Artikel 54(3) fällt) und GB- A-1 453 611 zeigen beide Turbinenkühlsysteme, die viele Wärmetauscher verwenden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein System für eine verbesserte Kühlung der Komponenten des heißen Abschnittes und anderer Teile von einem Gasturbinentriebwerk zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird ein System zum Kühlen erster und zweiter Abschnitte von einem Gasturbinentriebwerk geschaffen, das einen Triebwerksverdichter aufweist, und wobei das Kühlsystem enthält: (a) einen Turboverdichter mit einem Verdichterabschnitt und einen Turbinenabschnitt, die jeweils einen Einlass und einen Auslass haben; und (b) einen Wärmetauscher mit einem Einlass und einem Auslass für eine erste Fluidströmung, die für eine Kühlung des Wärmetauschers sorgt, und mit einem Einlass und einem Auslass für eine zweite Fluidströmung, die eine Kühlung von dem Wärmetauscher empfängt, wobei der erste Fluidströmungseinlass des Wärmetauschers in Fluidverbindung mit dem eine tiefere Temperatur aufweisenden Fluid ist, der zweite Fluidströmungseinlass des Wärmetauschers in Fluidverbindung mit dem eine höhere Temperatur aufweisenden Fluid von dem Triebwerksverdichter ist, der zweite Fluidströmungsauslass von dem Wärmetauscher in Fluidverbindung mit dem Einlass des Verdichterabschnitts des Turboverdichters ist und der Auslass von dem Verdichterabschnitt des Turboverdichters in Fluidverbindung mit dem ersten Abschnitt von dem Triebwerk ist, und dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass des Turbinenabschnitts von dem Turboverdichter in direkter Fluidverbindung mit dem zweiten Abschnitt von dem Triebwerk ist zum Kühlen der ersten und zweiten Abschnitte des Triebwerks, wobei die eine höhere Temperatur aufweisende Luft eine höhere Temperatur hat als diejenige von dem eine tiefere Temperatur aufweisenden Fluid und wobei das Kühlsystem nur einen Wärmetauscher enthält.
Von dem Gasturbinentriebwerks-Kühlsystem gemäß der Erfindung können mehrere Nutzen und Vorteile erhalten werden. Die Verwendung des Turboverdichters und des Wärmetauschers gemäß der Erfindung gestattet, dass einen höheren Druck und eine tiefere Temperatur aufweisende Luft zur Kühlung von Abschnitten des Triebwerkes, wie beispielsweise Triebwerkskomponenten des heißen Abschnittes, verwendet werden kann. Der maximale Triebwerksschub, der insbesondere während des Abhebens und des Anstiegs wichtig ist, kann für einen bestimmten äußersten Temperaturgrenzwert für die Triebwerkskomponenten des heißen Abschnittes vergrößert werden, indem die einen höheren Druck und eine tiefere Temperatur aufweisende Kühlluft gemäß der Erfindung verwendet wird, wie es für den Fachmann ohne weiteres deutlich wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht von einem Flugzeug-Bypass-Turbofan-Gasturbinentriebwerk (wobei die Abgasdüse der Klarheit halber weggelassen ist) ist, das ein Triebwerkskühlsystem verwendet, um den Hochdruck-Turbinenabschnitt des Triebwerks zu kühlen;
Fig. 2 ein Blockdiagramm von dem Triebwerkskühlsystem gemäß Fig. 1 ist, das einen Turboverdichter und einen Wärmetauscher enthält;
Fig. 3 ein Blockdiagramm von einem anderen Ausführungsbeispiel des Triebwerkskühlsystem gemäß Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht von einem Flugzeug-Bypass-Turbofan-Gasturbinentriebwerk (wobei die Abgasdüse der Klarheit halber weggelassen ist) ist, das ein Triebwerkskühlsystem verwendet, um sowohl einen Hochdruck- Turbinenabschnitt als auch einen Niederdruck-Turbinenabschnitt des Triebwerks zu kühlen;
Fig. 5 ein Blockdiagramm von dem Triebwerkskühlsystem gemäß Fig. 4 ist, das einen Turboverdichter und zwei Wärmetauscher enthält;
Fig. 6 ein Blockdiagramm von einem anderen Ausführungsbeispiel des Triebwerkskühlsystems gemäß Fig. 5 ist;
Fig. 7 eine schematische Seitenansicht von einem Flugzeug-Bypass-Turbofan-Gasturbinentriebwerk (wobei die Abgasdüse der Klarheit halber weggelassen ist) ist, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kühlsystems gemäß der Erfindung verwendet, das einen einzigen Wärmetauscher benutzt, um sowohl einen Hochdruck-Turbinenabschnitt als auch einen Niederdruck- Turbinenabschnitt von dem Triebwerk und auch einen hinteren Abschnitt von dem Hochdruckverdichter zu kühlen;
Fig. 8 ein Blockdiagramm von dem Triebwerkskühlsystem gemäß Fig. 7 ist, das einen Turboverdichter und einen einzigen Wärmetauscher enthält;
Fig. 9 ein Blockdiagramm von einem anderen Ausführungsbeispiel des Triebwerkskühlsystems gemäß Fig. 8 ist; und
Fig. 10 eine schematische Seitenansicht von einem Abschnitt des Triebwerks gemäß Fig. 7 ist, der einen hinteren Abschnitt von dem Hochdruckverdichter enthält.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen identische oder entsprechende Teile in den entsprechenden Figuren.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Flugzeug-Bypass-Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10 dargestellt ist, das eine im allgemeinen longitudinal verlaufende Achse oder Mittellinie 12 aufweist, die sich im allgemeinen von vorne bzw. stromaufwärts 14 nach hinten bzw. stromabwärts 16 erstreckt. Das Bypass-Turbofan-Triebwerk 10 enthält ein Kerntriebwerk (auch Gasgenerator genannt) 18, das einen Hochdruckverdichter oder Kernverdichter 20, eine Brennkammer 22 und eine Hochdruckturbine 24 aufweist, die alle in einer seriellen Axialströmungsrelation angeordnet sind. Eine ringförmige Antriebswelle 26 mit einem größeren Durchmesser, die koaxial um die Mittellinie 12 von dem Triebwerk 10 angeordnet ist, verbindet den Hochdruckverdichter 20 und die Hochdruckturbine 24 fest miteinander.
Das Kerntriebwerk 18 ist wirksam zur Erzeugung von Verbrennungsgasen. Verdichtete Luft aus dem Hochdruckverdichter 20 wird in der Brennkammer 22 mit Brennstoff gemischt und gezündet, wodurch Verbrennungsgase erzeugt werden. Eine gewisse Arbeit wird diesen Gasen durch die Hochdruckturbine 24 entzogen, die den Hochdruckverdichter 20 antreibt. Die Verbrennungsgase werden aus dem Kerntriebwerk 18 in eine Niederdruck- oder Leistungsturbine 28 ausgestoßen. Die Niederdruckturbine 28 ist fest an einer einen kleineren Durchmesser aufweisenden ringförmigen Antriebswelle 30 befestigt, die koaxial um die Mittellinie 12 von dem Triebwerk 10 innerhalb der einen größeren Durchmesser aufweisenden ringförmigen Antriebswelle 26 angeordnet ist. Die einen kleineren Durchmesser aufweisende ringförmige Antriebswelle 30 dreht eine vordere Reihe von Fan-Rotorschaufeln 32. Die einen kleineren Durchmesser aufweisende ringförmige Antriebswelle 30 dreht auch einen Niederdruckverdichter 34 (auch ein Booster- bzw. Zusatzverdichter oder ein Booster genannt). Ein Strömungsteiler 36, der zwischen den Fanschaufeln 32 und dem Niederdruckverdichter 34 angeordnet ist, teilt die Luft, die den Fan verlässt, in eine Kerntriebwerks- Luftströmung, die aus der Abgasdüse (nicht gezeigt) austritt, und eine umgebende Bypass-Luftströmung, die den Fan-Bypasskanal 38 verlässt.
Fig. 1 zeigt eine erste Anwendung von dem Triebwerkskühlsystem 110 gemäß der Erfindung, das zum Kühlen eines ersten Abschnittes von dem Triebwerk 10 verwendet wird, wobei der erste Abschnitt die Hochdruckturbine 24 aufweist. Das Kühlsystem 110 empfängt Luft: von einem Kanal 112, der Luft von dem Ausgangsbereich 114 des Niederdruckverdichters abzapft; von einem Kanal 116, der Luft von dem Ausgangsbereich 118 des Hochdruckverdichters abzapft; und von einem Kanal 120, der Luft von einem Bereich 122 zwischen diesen Ausgangsbereichen 114 und 118 des Nieder- und Hochdruckverdichters abzapft. Das Kühlsystem 110 gibt Luft ab: an einen Kanal 124, der Luft zu dem Fan- Bypasskanal 38 leitet; und an einen Kanal 126, der Luft zu dem Bereich der Hochdruckturbine 24 leitet.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel 110' von dem Triebwerkskühlsystem 110, das einen Turboverdichter 128 und einen ersten Wärmetauscher 130 aufweist. Der Turboverdichter 128 hat einen Verdichterabschnitt 132, der einen Einlass 134 und einen Auslass 136 aufweist, und einen Turbinenabschnitt 138, der einen Einlass 140 und einen Auslass 142 aufweist. Vorzugsweise hat der Turboverdichter 128 Luftlager. Der erste Wärmetauscher 130 hat einen Einlass 144 und einen Auslass 146 für eine erste Luftströmung, die für eine Kühlung des ersten Wärmetauscher 130 sorgt, und hat einen Einlass 148 und einen Auslass 150 für eine zweite Luftströmung, die Kühlung von dem ersten Wärmetauscher 130 empfängt. Der erste Luftströmungseinlass 144 von dem ersten Wärmetauscher 130 ist in Fluidverbindung mit einen niedrigeren Druck und Temperatur aufweisender Luft (wie beispielsweise mit einem Teil der Luft aus dem Ausgangsbereich 114 des Niederdruckverdichters über einen Kanal 112/112a, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist). Der zweite Luftströmungseinlass 148 von dem ersten Wärmetauscher 130 ist in Fluidverbindung mit einen höheren Druck und Temperatur aufweisender Luft aus dem Triebwerkverdichter (wie beispielsweise mit einem Teil der Luft aus dem Ausgangsbereich 118 des Hochdruckverdichters über den Kanal 116, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist). Der erste Luftströmungsauslass 146 des ersten Wärmetauschers 130 ist vorzugsweise in Fluidverbindung mit dem Fan- Bypasskanal 38 durch einen Kanal 124a (und gibt vorzugsweise diese Luft in den Fan-Bypasskanal 38 mit einer stromabwärts gerichteten Geschwindigkeitskomponente ab). Der zweite Luftströmungsauslass 150 von dem ersten Wärmetauscher 130 ist in Fluidverbindung mit dem Einlass 134 von dem Verdichterabschnitt 132 des Turboverdichters 128 durch einen Kanal 152. Der Auslass 136 von dem Verdichterabschnitt 132 von dem Turboverdichter 128 ist in Fluidverbindung mit der Hochdruckturbine 24 durch den Kanal 126, um wenigstens einen Teil von der Hochdruckturbine 24 zu kühlen. Der Einlass 140 von dem Turbinenabschnitt 138 von dem Turboverdichter 128 ist in Fluidverbindung mit einen Zwischendruck und -temperatur aufweisender Luft aus dem Triebwerkverdichter (wie beispielsweise mit einem Teil der Luft aus der achten Stufe des Hochdruck-Verdichterbereiches 122 durch den Kanal 120, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist). Für den Fachmann wird deutlich, dass die einen höheren Druck und Temperatur aufweisende Luft einen höheren Druck und Temperatur hat als diejenigen der einen tieferen Druck und Temperatur aufweisenden Luft, und die einen Zwischendruck und -temperatur aufweisende Luft hat einen Druck und eine Temperatur zwischen denjenigen der den tieferen Druck und Temperatur aufweisenden Luft und der den höheren Druck und Temperatur aufweisenden Luft. Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff "Druck" den Gesamtdruck bedeutet (d. h. statischer Druck plus dynamischer Druck). Der Auslass 142 von dem Turbinenabschnitt 138 von dem Turboverdichter 128 ist vorzugsweise in Fluidverbindung mit dem Fan-Bypasskanal 38 durch einen Kanal 124b (und vorzugsweise gibt er diese Luft in den Fan-Bypasskanal 38 mit einer stromabwärts gerichteten Geschwindigkeitskomponente ab).
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel 110" von dem Triebwerkkühlsystem 110, das mit dem zuvor erörterten ersten Ausführungsbeispiel 110' gemäß Fig. 2 identisch ist, aber mit drei Unterschieden. Erstens ist der zweite Luftströmungsauslass 150 von dem ersten Wärmetauscher 130 in Fluidverbindung mit der Hochdruckturbine 24 durch den Kanal 126, um wenigstens einen Teil der Hochdruckturbine 24 zu kühlen. Zweitens ist der Einlass 134 von dem Verdichterabschnitt 132 von dem Turboverdichter 128 in Fluidverbindung mit einen höheren Druck und Temperatur aufweisender Luft aus dem Triebwerkverdichter (wie beispielsweise mit einem Teil der Luft aus dem Ausgangsbereich 118 des Hochdruckverdichters über einen Kanal 116, wie es in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist). Drittens ist der Auslass 136 des Verdichterabschnittes 132 von dem Turboverdichter 128 in Fluidverbindung mit dem zweiten Luftströmungseinlass 148 von dem ersten Wärmetauscher 130.
Fig. 4 zeigt eine zweite Anwendung von dem Triebwerkskühlsystem 210 gemäß der Erfindung, das zum Kühlen eines ersten Abschnittes von dem Triebwerk 10, wobei der erste Abschnitt die Hochdruckturbine 24 aufweist, und auch zum Kühlen eines zweiten Abschnittes des Triebwerks 10 verwendet wird, wobei der zweite Abschnitt die Niederdruckturbine 28 aufweist. Das Kühlsystem 210, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ist identisch mit dem Kühlsystem 110 gemäß der ersten Anwendung, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, aber mit einem Zusatz. Das Kühlsystem 210 gibt auch Luft an einen Kanal 154 ab, der Luft zu dem Bereich der Niederdruckturbine 28 leitet.
Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel 210' von dem Triebwerkskühlsystem 210, das mit dem ersten Ausführungsbeispiel 110' des zuvor erläuterten Triebwerkkühlsystems 110 gemäß Fig. 2 identisch ist, aber mit einem Zusatz und mit einem Unterschied. Kurz gesagt, ist der Zusatz ein zweiter Wärmetauscher 156, und der Unterschied liegt in dem Kanal, der mit dem Auslass 142 von dem Turbinenabschnitt 138 von dem Turboverdichter 128 in Fluidverbindung ist. Genauer gesagt, hat der zweite Wärmetauscher 156 einen Einlass 158 und einen Auslass 160 für eine dritte Luftströmung, die für eine Kühlung des zweiten Wärmetauschers 156 sorgt, und er hat einen Einlass 162 und einen Auslass 164 für eine vierte Luftströmung, die eine Kühlung von dem zweiten Wärmetauscher 156 empfängt. Der erste Luftströmungseinlass 158 von dem zweiten Wärmetauscher 156 ist in Fluidverbindung mit einen tieferen Druck und Temperatur aufweisender Luft (wie beispielsweise mit einem Teil der Luft von dem Ausgangsbereich 114 des Niederdruckverdichters über den Kanal 112/112b, wie er in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist). Der zweite Luftströmungseinlass 162 von dem zweiten Wärmetauscher 156 ist in Fluidverbindung mit dem Auslass 142 von dem Turbinenabschnitt 138 von dem Turboverdichter 128 durch einen Kanal 166. Der erste Luftströmungsauslass 160 von dem zweiten Wärmetauscher 156 ist vorzugsweise mit dem Fan-Bypasskanal 38 durch einen Kanal 124c in Fluidverbindung (und gibt vorzugsweise diese Luft in den Fan-Bypasskanal 38 mit einer stromabwärts gerichteten Geschwindigkeitskomponente ab). Der zweite Luftströmungsauslass 164 von dem zweiten Wärmetauscher 156 ist in Fluidverbindung mit der Niederdruckturbine 28 durch einen Kanal 154, um wenigstens einen Abschnitt der Niederdruckturbine 28 zu kühlen.
Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel 210" von dem Triebwerkkühlsystem 210, das mit dem zweiten Ausführungsbeispiel 110" gemäß Fig. 3 identisch ist, aber mit dem einen Zusatz (dem zweiten Wärmetauscher 156) und dem einen Unterschied (der Kanal, der für eine Fluidverbindung von dem Auslass 142 des Turbinenabschnitts 138 des Turboverdichters 128 sorgt), wie es zuvor erläutert wurde.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Triebwerkkühlsystems 310 gemäß der Erfindung, das in den Fig. 7-10 gezeigt ist, wird ein einziger (erster) Wärmetauscher 130 verwendet, um sowohl den Abschnitt der Hochdruckturbine 24 als auch den Abschnitt der Niederdruckturbine 28 des Triebwerks 10 und auch den hinteren bzw. stromabwärtigen Abschnitt 168 des Hochdruckverdichters 20 zu kühlen. Der Einlass 140 von dem Turbinenabschnitt 138 des Turboverdichters 128 ist in Fluidverbindung mit entweder: (1) der eine höhere Temperatur aufweisenden Luft von dem Turboverdichter, wie beispielsweise einem Teil der Ausgangsluft aus dem Ausgangsbereich 118 des Hochdruckverdichters (über den Kanal 116b, wie es in einer ersten Konfiguration 310' in Fig. 8 des Triebwerkkühlsystems 310 gemäß Fig. 7 zu sehen ist) oder (2) dem zweiten Luftströmungsauslass 150 von dem ersten Wärmetauscher 130 (über den Kanal 170, wie es in einer zweiten Konfiguration 310" in Fig. 9 des Triebwerkkühlsystem 310 gemäß Fig. 7 zu sehen ist), anstatt dass er in Fluidverbindung mit dem Zwischendruck- und -temperaturluftbereich 122 ist. In jeder Konfiguration wird, wie es in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, der Turbinenabschnitt 138 des Turboverdichters 128 mit einen höheren Druck aufweisender Luft angetrieben. Vorzugsweise ist der Auslass 142 von dem Turbinenabschnitt 138 des Turboverdichters 128 in Fluidverbindung mit der Niederdruckturbine 28 des Triebwerks über den Kanal 154, anstatt dass er mit dem Fan-Bypasskanal 38 in Fluidverbindung ist (über den Kanal 124b). Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel kühlt sowohl die Hoch- als auch Niederdruckturbine 24 und 28 des Triebwerks 10 mit der Verwendung von einem einzigen Wärmetauscher 130, der in jeder der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Konfigurationen verwendet ist.
Fig. 7-9 zeigen den Einlass 144 von dem ersten Wärmetauscher 130, der mit dem Kanal 112a von dem Ausgangsbereich 114 des Niederdruckverdichters zu verbinden ist, und zeigen den Auslass 146 von dem ersten Wärmetauscher 130, der mit dem Kanal 124a zu verbinden ist, der zu dem Fan-Bypasskanal 38 führt. Jedoch enthält für ein Gasturbinentriebwerk (nicht gezeigt) des Turbowellentyps, das zum Antrieb eines elektrischen Leistungsgenerators verwendet wird, eine bevorzugte Anordnung, dass der Einlass 144 Fluidverbindung mit (beispielsweise) Erdgas- Triebwerksbrennstoff stromabwärts von der Brennstoffsteuerung ist, und sie enthält Brennstoff, der den Auslass 146 verläßt, um in den Brennkammerabschnitt des Triebwerks eingespritzt zu werden.
Für gewisse Anwendungen enthält der Turbinenabschnitt 138 des Turboverdichters 128 gemäß dem oben erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Reihe von verstellbaren Düsenschaufeln 172, die durch die Triebwerkssteuerung (nicht gezeigt) gesteuert werden können. Wie für den Fachmann klar ist, wird eine gesteuerte Veränderung der Fläche der Düsenschaufeln 172 die Strömung von Kühlluft verändern, um die Kühlerfordernisse (die sich während des Fluges verändern) von diesen Abschnitten des Triebwerkes, die gekühlt werden, besser anzupassen.
Für einen zusätzlichen Kühlvorteil in dem oben erörterten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Auslass 136 von dem Verdichterabschnitt 132 des Turboverdichters 128 auch in Fluidverbindung mit dem stromabwärtigen Abschnitt 168 von dem Hochdruckverdichter 20 über einen Kanal 174. Wie in Fig. 10 zu sehen ist, richtet der Kanal 174 gewisse Kühlluft durch eine erste Bahn (mit 176 bezeichnet), die in Fluidverbindung mit den Statordichtungen 178 von der hintersten Reihe von (hohlen) Statoren 180 des Hochdruckverdichters ist. Der Kanal 174 richtet auch gewisse Kühlluft durch eine zweite Bahn (mit 182 bezeichnet), die einen ersten Zweig 184 aufweist, der in Fluidverbindung mit den vorderen Seiten 186 der Scheibenränder 188 (über die schwalbenschwanzförmigen Nuten 190) der hinter sten Reihe von Schaufeln 192 des Hochdruckverdichters ist. Die zweite Bahn 182 enthält einen zweiten Zweig 194, der in Fluidverbindung mit der Welle 196 der Hochdruckturbine nahe ihrer Verbindung mit dem stromabwärtigen Abschnitt 168 von dem Hochdruckverdichter 20 ist. Die Bahnen 176 und 182 und Zweige 184 und 194 sind dadurch ausgebildet, dass verschiedene Triebwerksgehäuselöcher, verschiedene Kanäle und verschiedene hohle Statoren und Diffusoren vorgesehen sind, um so diese Kühlmittelbahnen hervorzurufen, wobei das genaue Design in das Wissen des Fachmannes fällt. Beispielsweise könnten Luftstrahlen, die die Welle 196 der Hochdruckturbine kühlen, in der Richtung der Wellenrotation ausgerichtet sein, um die Filmeffektivität zu verbessern, oder sie könnten senkrecht zur Welle ausgerichtet sein, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
Übliche Triebwerkskühltechniken leiten Verdichterluft direkt zum Bereich der Hochdruckturbine 24 und zum Bereich der Niederdruckturbine 28 des Triebwerks 10. Das Kühlsystem gemäß der Erfindung kann verwendet werden, um diese üblichen Triebwerkkühltechniken zu verstärken, oder es kann verwendet werden, um diese üblichen Techniken zu ersetzen.
Die Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels 210' des Triebwerkkühlsystems 210 ist üblicherweise wie diejenige der anderen Ausführungsbeispiele und wird unter Bezugnahme auf ein numerisches Beispiel beschrieben, das auf einer ingenieursmäßigen Analyse basiert, wobei der Druck P in psia und die Temperatur T in Grad R gemessen werden. Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, dass Luft (P = 34,8, T = 810) aus dem Ausgangsbereich 114 des Niederdruckverdichters durch den Kanal 112a zu dem ersten Wärmetauscher 130 geleitet wird, um Luft (P = 497, T = 1689) aus dem Ausgangsbereich 118 des Hochdruckverdichters zu kühlen, die von dem Kanal 116 geführt wird und in den ersten Wärmetauscher 130 eintritt, so dass die eine Kühlung erfahrene Luftströmung den ersten Wärmetauscher 130 als Luft (P = 462, T = 1369) verlässt, die durch den Kanal 152 zum Verdichterabschnitt 132 des Turboverdichters 128 geführt wird. Der Verdichterabschnitt 132 wird durch den Turbinenabschnitt 138 von Luft (P = 277, T = 1486) aus dem Verdichterzwischenabschnitt 122 angetrieben, die durch den Kanal 120 geführt wird. Luft (P = 497, T = 1416) verlässt den Verdichterabschnitt 132 des Turboverdichters 128 im Kanal 126, um die Hochdruckturbine 24 zu kühlen. (Eine konventionelle Kühlung der Hochdruckturbine direkt mit Luft aus dem Ausgangsbereich des Hochdruckverdichters würde diese Luft bei P = 464 und T = 1647 liefern.) In ähnlicher Weise verlässt Luft (P = 140, T = 1109) den zweiten Wärmetauscher 156 im Kanal 154, um die Niederdruckturbine 28 zu kühlen. (Eine konventionelle Kühlung der Niederdruckturbine direkt mit Luft aus dem Zwischenverdichterbereich würde diese Luft bei P = 130 und T = 1186 liefern.) Die größere Triebwerkskühlkapazität des Systems gemäß der Erfindung erzielt einen Nettoschub von 51878 Pounds im Vergleich zu 45139 Pounds Nettoschub bei Verwendung einer konventionellen Kühlung (wobei die Hochtemperatur- Turbinenschaufeltemperatur bei einem "Rotlinien"-Grenzwert von 1838 für sowohl das Kühlsystem gemäß der Erfindung als auch der konventionellen Kühlung liegt). Die Verbesserung im Nettoschub für das Triebwerkkühlsystem gemäß der Erfindung liegt bei nahezu fünfzehn Prozent.
Die vorstehende Beschreibung der mehreren Ausführungsbeispiele der Erfindung ist zu Darstellungszwecken gegeben worden. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie abschließend ist oder die Verwendung auf die präzise offenbarte Form beschränkt wird, und offensichtlich sind im Lichte der vorstehenden Lehren viele Modifikationen und Abänderungen möglich. Beispielsweise ist verständlich, dass die Phrase "Triebwerkverdichter" jeden Nieder-, Zwischen- und/oder Hochdruckverdichter des Triebwerks umfasst. Weiterhin umfassen verschiedene Abschnitte des Triebwerks, die durch das erfindungsgemäße Triebwerkkühlsystem gekühlt werden können, diejenigen Abschnitte, die eine Hochdruckturbinenkühlung, Niederdruckturbinenkühlung, Brennkammerkühlung, Verdichterscheibenkühlung, Verdichterausgangskühlung, Verdichter- und Turbinengehäusekühlung, Spaltsteuerkühlung usw. umfassen. Zusätzlich kann einen tieferen Druck und Temperatur aufweisende Luft von dem Fanbereich, dem Fan-Bypassbereich usw. und auch von dem Niederdruckverdichterbereich abgezapft oder abgeleitet werden. Weiterhin ist die Erfindung auf Gasturbinentriebwerke anwendbar, die axiale, radiale oder andere Typen von Gasturbinentriebwerksverdichtern und/oder -turbinen aufweisen. Es ist gleichfalls verständlich, dass in einigen Anwendungen das Triebwerkkühlsystem gemäß der Erfindung Ventile verwenden kann, um die Luftströmung in den verschiedenen Kanälen zu steuern, und/oder das Triebwerkkühlsystem gemäß der Erfindung kann in denjenigen Triebwerken verwendet werden, die veränderbare Turbinendüsen haben, wo eine größere Kühlung erforderlich ist, wenn die Turbinendüsenfläche verkleinert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die erste Luftströmung als eine erste Fluidströmung verallgemeinert werden kann, die eine höhere Temperatur als diejenige der zweiten Luftströmung hat, und dass diese erste Fluidströmung Triebwerksbrennstoff sein kann, wobei beispielsweise der Kanal 112 einigen Brennstoff von dem Brennstofftank zu dem (den) Wärmetauscher(n) transportieren würde und der Kanal 124 würde den Brennstoff von dem (den) Wärmetauscher(n) zurück zum Brennstofftank oder zur Brennkammer usw. transportieren (eine derartige Anordnung ist in den Zeichnungen nicht gezeigt). Derartige Modifikationen und Abänderungen und andere Modifikationen und Abänderungen liegen alle im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche.

Claims

1. System zum Kühlen erster und zweiter Abschnitte von einem Gasturbinentriebwerk (10), das einen Triebwerksverdichter (18) aufweist, wobei das Kühlsystem enthält:

(a) einen Turboverdichter (128) mit einem Verdichterabschnitt (132) und einem Turbinenabschnitt (138), die jeweils einen Einlaß und einen Auslaß haben, und

(b) einen Wärmetauscher (130) mit einem Einlaß (144) und einem Auslaß (146) für eine erste Fluidströmung (112), die für eine Kühlung des Wärmetauschers (130) sorgt, und mit einem Einlaß (148) und einem Auslaß (150) für eine zweite Fluidströmung (116), die eine Kühlung von dem Wärmetauscher (130) empfängt, wobei der erste Fluidströmungseinlaß (144) des Wärmetauschers (130) in Fluidverbindung mit dem eine tiefere Temperatur aufweisenden Fluid (112) ist, der zweite Fluidströmungseinlaß (148) des Wärmetauschers (130) in Fluidverbindung mit dem eine höhere Temperatur aufweisenden Fluid (116) von dem Triebwerksverdichter (18) ist, der zweite Fluidströmungsauslaß (150) von dem Wärmetauscher (130) in Fluidverbindung mit dem Einlaß (134) des Verdichterabschnitts (132) des Turboverdichters (128) ist und der Auslaß (136) von dem Verdichterabschnitt (132) des Turboverdichters (128) in Fluidverbindung mit dem ersten Abschnitt (24) von dem Triebwerk (10) ist, und dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (142) des Turbinenabschnitts (138) von dem Turboverdichter (128) in direkter Fluidverbindung mit dem zweiten Abschnitt (28) von dem Triebwerk (10) ist zum Kühlen der ersten und zweiten Abschnitte des Triebwerks (10), wobei die eine höhere Temperatur aufweisende Luft eine höhere Temperatur hat als diejenige von dem eine tiefere Temperatur aufweisenden Fluid und wobei das Kühlsystem (110) nur einen Wärmetauscher (14) enthält.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Einlaß (140) von dem Turbinenabschnitt (138) des Turboverdichters (120) in Fluidverbindung mit der eine höhere Temperatur aufweisenden Luft (116) aus dem Triebwerksverdichter (18) ist.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Luftströmungsauslaß (150) von dem Wärmetauscher (130) in Fluidverbindung mit dem Einlaß (140) von dem Turbinenabschnitt (138) des Turboverdichters (128) ist.

4. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Einlaß (140) von dem Turbinenabschnitt (138) des Turboverdichters (128) eine Reihe von flächenvariablen Düsenschaufeln (172) aufweist.

5. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Triebwerksverdichter (18) einen Hochdruck-Verdichter (20) enthält und die eine höhere Temperatur aufweisende Luft (116) einen Teil der Ausgangsluft aus dem Hochdruck-Verdichter (20) aufweist.

6. Kühlsystem nach Anspruch 5, wobei das Triebwerk (10) eine Triebwerksturbine mit einer Hochdruck-Turbine (24) und einer Niederdruck-Turbine (28) aufweist und wobei der erste Abschnitt von dem Triebwerk (10) die Hochdruck-Turbine (24) und der zweite Abschnitt von dem Triebwerk (10) die Niederdruck- Turbine (28) enthält.

7. Kühlsystem nach Anspruch 6, wobei der Auslaß (136) von dem Verdichterabschnitt (132) des Turboverdichters (128) auch in Fluidverbindung (174) mit einem hinteren Abschnitt (168) von dem Hochdruck-Verdichter (20) ist.

8. Kühlsystem nach Anspruch 7, wobei der hintere Abschnitt (168) von dem Hochdruck-Verdichter (20) eine hinterste Reihe von Statoren (180) mit Statordichtungen (178) enthält und wobei der Auslaß von dem Verdichterabschnitt (132) des Tur boverdichter (128) in Fluidverbindung mit den Statordichtungen (178) ist.

9. Kühlsystem nach Anspruch 7, wobei der hintere Abschnitt von dem Hochdruck-Verdichter (20) eine hinterste Reihe von Schaufeln (192) enthält, die schwalbenschwanzförmige Nuten und Scheibenränder mit vorderen Seiten aufweist, und wobei der Auslaß von dem Verdichterabschnitt (132) des Turboverdichters (128) mit den vorderen Seiten der Scheibenränder über die schwalbenschwanzförmigen Nuten in Fluidverbindung ist.

10. Kühlsystem nach Anspruch 7, wobei die Hochdruck- Turbine (24) eine Welle (196) aufweist, die mit dem hinteren Abschnitt von dem Hochdruck-Verdichter (20) verbunden ist, und wobei der Auslaß von dem Verdichterabschnitt (132) des Turboverdichters (128) mit der Welle (196) nahe dem hinteren Abschnitt des Hochdruck-Verdichters (20) in Fluidverbindung ist.