DE69816013T2

DE69816013T2 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE69816013T2
Application number: DE69816013T
Authority: DE
Inventors: John P. West Hartford Nikkanen; Steven D. Glastonbury Sandahl; Steven H. Amston Zysman; John C. Agawam Ditomasso
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2018-12-23
Also published as: EP0924407B1; US6058696A; JPH11229897A; DE69816013D1; EP0924407A3; EP0924407A2

Description

Die Endung betrifft ein Einlass- und Auslass-Modul für ein Wärmetauschersystem zum Kanalisieren von Kühlluft relativ zu einem Bläserkanal-Strömungsweg einer Gasturbinenmaschine.
Eine Axialströmungsrotationsmaschine, beispielsweise eine Gasturbinenmaschine für ein Flugzeug, hat einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Bei einem typischen Starrflügler-Flugzeug ist das Triebwerk in einem an dem Flügel des Flugzeugs angebrachten Gehäuse montiert. Das Gehäuse wird üblicherweise als Gondel bezeichnet. Die Gondel stützt das Triebwerk relativ zu dem Flugzeug ab und positioniert es. Ein ringförmiger primärer Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich axial durch die Abschnitte der Maschine. Bei Flugzeuginstallationen beinhaltet der Verdichterabschnitt üblicherweise einen Bläserabschnitt mit einem Bypasskanal. Der Bypasskanal schafft einen ringförmigen Strömungsweg für sekundäre Arbeitsmediumsgase, welcher sich nach hinten um den primären Strömungsweg erstreckt.
Eine Bläserrotoranordnung in dem Bläserabschnitt weist eine Reihe von Bläserlaufschaufeln auf, welche sich nach außen über den primären und sekundären Strömungsweg erstrecken. Eine Mehrzahl von Bläseraustrittsführungsleitschaufeln ist strömungsabwärts von den Bläserlaufschaufeln in dem Bläserkanal angeordnet, um die relativ kühlen Arbeitsmediumsgase von dem sekundären Strömungsweg aufzunehmen. Eine Mehrzahl von Streben ist typischerweise strömungsabwärts von den Bläseraustrittsführungsleitschaufeln angeordnet, um die Statorstruktur abzustützen und Lasten von der Maschine auf ihre Abstützstruktur zu übertragen.
Während des Betriebs werden Arbeitsmediumsgase entlang des primären Strömungswegs in den Verdichterabschnitt gezogen. Die Gase passieren durch einige Verdichterstufen, was die Temperatur und den Druck der Gase ansteigen läßt. Die Gase werden mit Brennstoff in dem Verbrennungsabschnitt vermischt und verbrannt, um heiße Druckgase zu bilden. Diese Gase sind eine Energiequelle für die Maschine und man lässt sie durch den Turbinenabschnitt expandieren, um Arbeit zu erzeugen. Ein Teil dieser Arbeit wird auf den Verdichterabschnitt zum Antreiben der Bläserrotoranordnung und ihrer Bläserlaufschaufeln um eine Rotationsachse übertragen.
Die Arbeitsmediumsgase in dem Bläserkanal haben eine Massenströmung, die sechs bis acht Mal der Massenströmung in der Primärströmung ist, aber mit einem relativ geringen Druckanstieg und einem moderaten Temperaturanstieg.
Verschiedene Bauteile in der Maschine erzeugen Wärme, beispielsweise ein elektrischer Generator oder ein Ölsystem zum Liefern von Schmierfluid an rotierende Bauteile in der Maschine. Öl oder irgendein anderes flüssiges Medium wird verwendet, um die Wärme wegzutragen. Diese Wärme wird, um die Betriebstemperaturen dieser Bauteile innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten, an Kühlluft in dem Bläserkanal oder eine andere akzeptable Wärmesenke abgegeben, beispielsweise Brennstoff für die Maschine.
Eine Konstruktion, die Schmieröl verwendet als ein Mittel, um Wärme zu entfernen und sie an Wärmetauscher abzugeben, ist in US-Patent 4,151,710 gezeigt, welches den Titel "Lubrication Cooling System For Aircraft Engine Accessory" trägt, welches Griffin et al. erteilt wurde. Die Wärme wird hauptsächlich zu einem Wärmetauscher abgegeben, der sich in den sekundären Strömungsweg der Maschine erstreckt und sekundär zu einem Wärmetauscher, der sich in Verbindung mit dem in die Brennkammer strömenden Brennstoff befindet.
Ein weiteres Beispiel eines Kühlsystems ist in US-Patent 4,474,001 gezeigt, welches den Titel "Cooling System For The Electrical Generator Of A Turbofan Gas Turbine Engine" trägt und Griffin et al. erteilt wurde. In dieser zweiten Griffin-Schrift gibt dieses Kühlsystem überschüssige Wärme an den Triebwerks-Brennstoff durch einen primären Wärmetauscher ab und gibt bei niedrigen Brennstoffraten zusätzlich Wärme zur Bläserluft ab, die von dem Arbeitsmediumsströmungsweg zu einem sekundären Wärmetauscher geleitet wird, der sich von dem Bläserkanal entfernt befindet. Ein Ventil wird verwendet, um die Strömung zu dem (sekundären) Bläserluftwärmetauscher an- und abzuschalten, wie das unter den Betriebsbedingungen der Maschine erforderlich ist.
Ein weiterer Ansatz ist es, einen in einem Compartment der Gondel angeordneten Wärmetauscher bereitzustellen, der Luft aus zwei Quellen erhält: Einem druckbeaufschlagten Compartment in Strömungsverbindung mit dem Verdichter der Maschine bei niedriger Leistung; und Bläserluft aus dem Bläserbypasskanal bei hoher Leistung. Kühlluft strömt von diesen Positionen zu dem Wärmetauscher und wird nach außen abgegeben. Ventile sind erforderlich, um die Strömung von dem druckbeaufschlagten Compartment bei hoher Leistung zu unterbrechen und um die Strömung von dem Bläserkanal bei niedriger Leistung zu unterbrechen.
Ein weiterer Ansatz ist es, einen Strömungsweg zu einem Wärmetauscher in einem Kerncompartment bereitzustellen, der sich von einem Einlass in dem Bläserkanal zu einem Auslass an einer strömungsabwärtigen Position in dem Bläserkanal erstreckt. Der Auslass ist strömungsabwärts eine beträchtliche Strecke (einige Fuß) beabstandet, so dass der Auslass sich an einer Position mit einem niedrigeren statischen Druck als der Einlass zu dem Wärmetauscherströmungsweg befindet. Der Einlass und der Auslass sind um diese Strecke beabstandet, um Bereiche des Bläserkanals zu meiden, die den gleichen stati schen Druck haben, was einen negativen statischen Druckgradienten (Null oder etwas negativ) zwischen dem Einlass und dem Auslass erzeugt. Ein derartiges System ist in US-A-5269135 beschrieben.
Der Einlass ragt in den Bläserkanal, so dass er von der inneren Wand und der äußeren Wand beabstandet ist. Der Einlass ist in die ankommende Strömung gerichtet und treibt Kühlluft durch den Strömungsweg zu dem Wärmetauscher wegen der statischen Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass. Die Einlassstruktur ist Fremdkörperbeschädigung durch Eis und andere Trümmer ausgesetzt, was in die Maschine aufgenommen wird und von der Innenwand zu dem Inneren des Bläserkanals zentrifugal wegbewegt wird. Derartige Trümmer treffen auf den Einlass zu dem Wärmetauscher und können zu dem Wärmetauscher strömungsabwärts getragen werden, wo die Trümmer den Wärmetauscher treffen und blockieren können.
Beim Strömen der Kühlluft durch den Wärmetauscher nimmt die Kühlluft Wärme von den Bauteilen auf, die durch den Wärmetauscher gekühlt werden. Die erwärmte Luft wird in den Bläserkanal an der strömungsabwärtigen Position abgegeben. Die Abgabetemperatur der Kühlluft von dem Auslass des Strömungswegs für den Wärmetauscher kann inakzeptable Niveaus für die benachbarte Struktur erreichen. Das ergibt sich aus der Wärmebelastung und dem Niveau der Kühlströmung, obwohl die Strecke zwischen dem Einlass und dem Auslass eine statische Druckdifferenz ausbildet. In der Folge kann eine Metallabschirmung strömungsabwärts des Austritts installiert sein. Die Abschirmung wird erwärmt und Material radial innerhalb der Abschirmung, beispielsweise Verbundmaterialstrukturen werden gegen die heiße Abluft geschützt.
Man bemüht sich, beständige Kühlsysteme zu entwickeln, die eine komplexe Ventilanordnung und negative Beeinflussungen der Effizienz des Betriebs der Maschine zu vermeiden.
Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass ein einstückiges Gussstück für ein Einlass- und Auslass-Modul in seiner Dicke und Gestalt maßgeschneidert sein kann, um korrekt Strömungswegkonturen zu reflektieren mit minimaler Wanddicke an nicht kritischen Positionen und maximaler Dicke an kritischen Positionen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine bereitgestellt, die um eine Rotationsachse A_r angeordnet ist, wobei die Maschine einen primären Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase, der um die Achse Ar angeordnet ist, und einen sekundären Strömungsweg für Arbeitsmediumsgase hat, der um den primären Strömungsweg angeordnet ist, wobei der sekundäre Strömungsweg einen Bläserkanal hat, der durch Wände begrenzt ist, wobei die Wände eine Innenwand, eine Außenwand, eine sich zwischen der Innenwand und der Außenwand erstreckende radiale Gabelungswand umfassen, wobei der sekundäre Strömungsweg ferner einen Einlass, einen Auslass und Strömungswegwände hat, die sich axial zwischen dem Einlass und dem Auslass zum Kanalisieren von Kühlluft von dem sekundären Strömungsweg zu einem Wärmetauschersystem und zum Zurückbringen der Kühlluft zu dem Strömungsweg erstrecken, wobei der sekundäre Strömungsweg Strömungslinien hat, die sich entlang der Wände des sekundären Strömungswegs erstrecken, die Strömungslinien Fd, die durch den Einlass zum Kanalisieren von Kühlluft zu dem Wärmetauschersystem gestört werden, und Strömungslinien Fu, die durch den Einlass zu dem Wärmetauschersystem nicht gestört werden, aufweisen, wobei der Einlass eine Einlassebene P, die rechtwinklig zur in den Einlass gelangenden Strömung ist, eine Innenwand, die sich von der Linie Fu der ungestörten Strömung nach innen erstreckt, und eine Außenwand aufweist, die sich von einer Einlasslippe erstreckt, wobei die Lippe radial nach außen von dem Schnittpunkt der Einlassebene P an der Innenwand des Einlasses eine radiale Einlass höhe Hi beabstandet ist und wobei die Lippe radial nach außen von der Linie der ungestörten Strömung um eine radial exponierte Höhe Hf beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass und der Auslass in Form eines Einlass- und Auslass-Moduls vorgesehen ist, welches ein einstückiges Gussteil ist, dass die Lippe an dem Einlass auch von dem Schnitt der Einlassebene P an der Innenwand des Einlasses nach hinten beabstandet ist, und dass der Einlass ein Expositionsverhältnis hat, welches das Verhältnis der exponierten radialen Höhe Hf zu der radialen Höhe des Einlasses Hi ist und das nicht größer als 0,7 (Hf/Hi ≤ 0,7) ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Einlasse eine Rampe, die sich vor dem Einlass nach vorne erstreckt und Seitenwände, welche die Rampe begrenzen, die eine abnehmende Höhe in Richtung strömungsaufwärts haben und sich von dem Einlass zu dem Auslass nach hinten erstrecken.
Gemäß einer detaillierten Ausführungsform erstreckt sich eine sich umfangsmäßig erstreckende Oberfläche von jeder Seitenwand des Wärmetauscher-Einfass-Auslass-Moduls, um die innere Strömungswegwand eines Bläserbypasskanals zu definieren.
Gemäß einer detaillierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dicke des Gussteilmaterials in dem Bereich der Einlassöffnung mindestens viermal so dick wie das Material an mindestens einer Innenwand des Gussteils.
Gemäß einer detaillierten Ausführungsform weist das Einlass- und Auslass-Modul einen Einlasskanal und eine Auslasspassage auf, wobei die Auslasspassage in einem ausgebuchteten Mischer endet.
Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung zumindest gemäß ihren bevorzugten Ausführungsformen ist ein Einlass- und Auslass-Modul für einen Wärmetauscher, welches als ein einstückiges Gussteil gebildet ist. Ein weiteres Merkmal ist die Abwesenheit von Stufen oder Spalten an der Innenoberfläche des Moduls, was sich aus der einstückigen Konstruktion ergibt. Ein weiteres Merkmal ist eine sich nach vorne erstreckende Rampe mit Seitenwänden, die sich von dem Einlass nach vorne erstrecken und eine abnehmende Höhe in Richtung strömungsaufwärts haben.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen ist das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht des Einlass- und Auslass-Moduls, welches sich aus seiner einstückigen Konstruktion ergibt. Ein weiterer Vorteil ist die Triebwerkseffizienz, welche sich aus dem präzisen Konturieren der Strömungswege durch die Verwendung eines Gussteils und die präzise Ausrichtung des Einlasses und des Auslasses zu den Strömungswegen und dem Vermeiden von Stufen in den Übergangsbereichen ergibt, zu denen es kommen würde, wenn das keine einstückige Konstruktion wäre. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Vorteil die Wartungsfreundlichkeit einer Gasturbinenmaschine, welche sich aus der Möglichkeit des Ersetzens eines Moduls durch ein austauschbares Gussmodul und der Fähigkeit des Entfernens eines gesamten Moduls ergibt, um eine Inspektion eines zugehörigen Wärmetauschers nach Fremdkörperbeschädigung und -blockage erlaubt.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine schematische Seitenansicht einer Gasturbinenmaschine, teilweise weggebrochen, um ein Wärmetauschersystem in Strömungsverbindung mit einem Bläserbypasskanal zu zeigen;
2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils der in 1 gezeigten Maschine;
3 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils des in 2 gezeigten Wärmetauschersystems;
4 ist eine perspektivische Ansicht des Einlass- und Auslass-Moduls für das in 2 gezeigte Wärmetauschersystem; und
5 ist eine Endansicht, die entlang der Linie 5-5 von 1 genommen wurde und den Auslass des Wärmetauschersystems zeigt, wobei ein Teil der Maschine zur Klarheit weggebrochen ist.
1 ist eine Seitenansicht einer Axialströmungs-Rotationsmaschine, wie beispielsweise einer Gasturbinenmaschine 10. Die Maschine ist in einem Gehäuse, welches üblicherweise als Gondel 12 bezeichnet wird, angeordnet. Die Gondel umgibt die Maschine. Die Gondel weist Compartments für Hilfsaggregate, beispielsweise ein Gondelbläsercompartment 14 und ein Gondelkerncompartment 16 auf. Die Gondel ist daran angepasst, für die Maschine ein aerodynamisches Gehäuse zu schaffen.
Die Maschine hat eine Rotationsachse Ar und ist aus einem Bläserabschnitt 18, einem Verdichterabschnitt 22, einem Verbrennungsabschnitt 24 und einem Turbinenabschnitt 26 gebildet, deren Relativpositionen in der 1 gezeigt sind. Ein Primärströmungsweg 28 für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich durch diese Abschnitt der Maschine nach hinten. Der Hauptströmungsweg gelangt in die Maschine an dem innersten Bereich des Einlasses zu der Maschine. Das Gondelkerncompartment erstreckt sich umfangsmäßig um die Maschine und ist von dem Gondelbläsercompartment radial nach innen beabstandet und lässt dazwischen einen Bläserbypasskanal 32. Ein Sekundärströmungsweg 34 für Arbeitsmediumsgase erstreckt sich durch den Bypasskanal nach hinten und außerhalb des zweiten Strömungswegs.
Der Bläserbypasskanal ist von einer Innenwand 36 und einer Außenwand 38 begrenzt. Die Innenwand und die Außenwand erstrecken sich umfangsmäßig um die Rotationsachse A_r der Maschine. Eine Mehrzahl von Bläserlaufschaufeln (nicht gezeigt) ragt über den Bläserbypasskanal nach außen, um die Arbeitsmediumsgase in dem zweiten Strömungsweg druckzubeaufschlagen. Eine Mehrzahl von Bläseraustrittsführungsleitschaufeln, wie sie durch die Bläseraustrittsführungsleitschaufel 42 repräsentiert sind, erstreckt sich radial zwischen der Innenwand und der Außenwand, um Strömung, die von den Bläserlaufschaufeln abgegeben wird, aufzunehmen. Eine Mehrzahl von Streben, wie durch die Strebe 44 repräsentiert, befindet sich strömungsabwärts von den Bläseraustritts-Führungsleitschaufeln. Die Streben erstrecken sich radial zwischen der Innenwand und der Außenwand und sind umfangsmäßig beabstandet, um Bereichen der Maschine und der Gondel eine strukturelle Abstützung zu schaffen.
Der Bläserbypasskanal 32 hat einen Bläserabgabekanal 46 strömungsabwärts von den Bläseraustritts-Führungsleitschaufeln 42. Der Bläserabgabekanal ist durch einen Strömungsweg mit einem vernachlässigbaren Verlust an Gesamtdruck über den Strömungsweg gekennzeichnet und ist durch einen statischen Druckgradienten in der Richtung nach hinten gekennzeichnet, der praktisch nicht existent ist (d. h. der statische Druck entlang des Strömungswegs ist im Wesentlichen gleich), oder der als Folge der Konturierung des Strömungswegs einen ansteigenden statischen Druck hat. An der Position 48 deutlich strömungsabwärts von den Bläseraustritts-Führungsleitschaufeln und strömungsabwärts von den Bläserstreben (einige Fuß) wird die Strömung durch eine sich verjüngende Passage beschleunigt, was zur Folge hat, dass der nachteilige bzw. negative Druckgradient verschwindet und positiv wird. Ein Wärmetauschersy stem 52 mit einem Wärmetauscher 54 und einem Strömungsweg 56 für den Wärmetauscher ist in dem Kerncompartment 16 angeordnet.
2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils der in 1 gezeigten Maschine, der das Wärmetauschersystem 52 zeigt. Das Wärmetauschersystem befindet sich unmittelbar strömungsabwärts der Reihe von Bläseraustritts-Führungsleitschaufeln 42 und ist zwischen einem Paar der Bläserstreben 44 angeordnet, die umfangsmäßig beabstandet sind. Die Bläserstreben sind zur Klarheit weggebrochen, um die Relation des Wärmetauschersystems zu der Innenwand 36, der Außenwand 38 und dem sekundären Strömungsweg 34 für Arbeitsmediumsgase zu zeigen. Der sekundäre Strömungsweg hat Strömungslinien, die sich entlang dieser Wände erstrecken, die durch das Wärmetauschersystem gestörte Strömungslinien Fd und von dem Wärmetauschersystem ungestörte Strömungslinien Fu beinhalten, wobei die Linien der ungestörten Strömung eine Wandströmungscharakteristik besitzen (analog zu einer Grenzschicht bei achsensymmetrischer Strömung) mit einer Dicke Bu bei jeder axialen Position.
Das Wärmetauschersystem hat einen Einlass 58 und einen Auslass 62. Eine Verbundmaterialverkleidung 64 zur Geräuschunterdrückung befindet sich unmittelbar dem Auslass des Wärmetauschersystems an der Innenwand benachbart und erstreckt sich in Richtung strömungsabwärts. Der Abstand zwischen den beiden ist geringer als die Höhe des Wärmetauschersystems von der Innenwand des Bläserkanals.
Ein Hohlraum 66 ist in dem Kerncompartment der Gondel angeordnet. Der Wärmetauscher ist in dem Hohlraum angeordnet. Der Wärmetauscher hat einen Einlass 68 und einen Auslass 72 für den Kühlluftströmungsweg 56. Ein Strömungsweg 74 für ein Arbeitsmediumsfluid befindet sich in Strömungsverbindung mit dem Wärmetauscher. Das heiße Fluid befindet sich in Strömungs verbindung mit den Bauteilen, die eine Kühlung benötigen. Beispiele von Arbeitsmediumfluiden zum Tragen von Wärme zu dem Wärmetauscher sind Triebwerksbrennstoff und Triebwerksschmieröl, die Wärme von den Bauteilen erhalten, durch die das Arbeitsmedium strömt. Alternativ kann der Wärmetauscher ein Sammelraum um das Bauteil sein oder jede andere Einrichtung zum Übertragen von Wärme von dem Bauteil auf den Strömungsweg für Kühlluft.
Der Strömmungsweg 56 für Kühlluft des Wärmetauschersystems erstreckt sich durch den Einlass und den Auslass des Wärmetauschers. Der Strömungsweg ist nicht durch eine Ventileinrichtung unterbrochen. Der Begriff "nicht unterbrochen" bedeutet, dass der Strömungsweg bei allen Betriebszuständen der Maschine kontinuierlich ist. Wie man erkennt, können Teile der hier beschriebenen Struktur vorteilhaft mit einem System mit einem unterbrochenen Strömungsweg verwendet werden.
Der Strömungsweg 56 für Kühlluft befindet sich in Strömungsverbindung durch den Einlass 58 des Wärmetauschersystems mit dem sekundären Arbeitsmediumsströmungsweg in dem Bläserabgabekanal. Ein Einlasskanal 76 erstreckt sich von dem Einlass und hat eine Länge Lid. Der Einlasskanal hat eine erste (innere) Wand 78 und eine zweite (äußere) Wand 79.
Eine erste sich radial erstreckende Leitung 80 erstreckt sich in dem Hohlraum 66 von dem Einlasskanal zu dem Wärmetauschereinlass 68 und bringt den Einlass 68 in Strömungsverbindung mit dem Einlasskanal. Die erste Leitung hat eine Mehrzahl von radial beabstandeten Dreh-Leitelementen 82, die sich von dem Wärmetauscher axial über einen Teil der Leitung erstrecken. Das lässt den verbleibenden axialen Teil der ersten Leitung offen für die Strömung von Arbeitsmediumsgasen in einer im Wesentlichen radialen Richtung und in der axialen Richtung durch den Wärmetauscher.
Der Auslass 62 des Wärmetauschersystems 52 weist eine zweite Leitung 84 auf. Die zweite Leitung 84 erstreckt sich radial und befindet sich in Strömungsverbindung durch den Wärmetauscher 54 mit der ersten Leitung 80. Der Auslass weist eine Ausströmpassage 86 auf. Die Ausströmpassage hat einen ersten Bereich 88, der sich in Strömungsverbindung mit der zweiten Leitung befindet. Der erste Bereich erstreckt sich radial nach außen. Ein zweiter Bereich 92 erstreckt sich radial nach hinten und endet in einem mit Ausbuchtungen versehenen Mischer 94. Der mit Ausbuchtungen versehene Mischer hat einen Auslassabschnitt 96 an seinem Ende. Der mit Ausbuchtungen versehene Mischer ist nach außen eine radiale Höhe Ho von der Linie der ungestörten Strömung Fu an der Innenwand 36 des Bläserkanals 46 beabstandet. Folglich schafft der Auslassabschnitt an seiner innersten Oberfläche eine Bezugsoberfläche zum Positionieren der Linie der ungestörten Strömung Fu, die von dieser Position umfangsmäßig beabstandet ist.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 2 gezeigten Wärmetauschersystems 52. Der Systemeinlass 58 hat eine innere Wand 98 und eine äußere Wand 102. Die innere Wand des Einlasses und die äußere Wand des Einlasses liegen in einer Einlasseben P, die rechtwinklig zur Strömung (Strömungsweg 56) ist, die in den Einlass gelangt. Die innere Wand und die äußere Wand des Einlasses befinden sich an der Position, bei der die Strömung von einer Wand in Richtung nach außen (der Außenwand) begrenzt ist und durch eine Wand in die Richtung nach innen (der Innenwand) begrenzt ist. Dieser Strömungsabschnitt wird typischerweise als der erste abgedeckte Abschnitt der Strömung bezeichnet. Die Innenwand erstreckt sich umfangsmäßig über die Breite des Einlasses. Die Innenwand befindet sich radial innerhalb der Linie der ungestörten Strömung Fu an der Innenwand 36 des Bläserkanals. Die Linie der ungestörten Strömung fällt mit der Innenwand 36 zusammen und ist radial von der Außenwand 38 des Bläserkanals eine Strecke Hfd beabstandet.
Die Lippe 102 der Außenwand 79 erstreckt sich umfangsmäßig wie auch die Innenwand. Die Lippe ist von einer ersten äußeren Oberfläche 104 gebildet, die sich umfangsmäßig erstreckt und die gemessen in Richtung strömungsabwärts radial von der Achse Ar der Maschine divergiert. Die Lippe 102 hat eine zweite innere Oberfläche 106, die sich umfangsmäßig erstreckt und die in Richtung strömungsabwärts radial zu der Achse A, konvergiert.
Die Lippe 102 ist von der Innenwand 98 des Einlasses 58 nach hinten und radial außen eine radiale Höhe des Einlasses Hi an der Einlassebene P beabstandet. Die Lippe befindet sich eine radiale Strecke Hf radial außerhalb von der Linie der ungestörten Strömung. Die Strecke der radialen Einlasshöhe Hi ist größer als die Dicke Bu der Wandströmungscharakteristik. Die Wandströmungscharakteristik ist ähnlich einer Grenzschichtcharakteristik für eine achsensymmetrische Strömung und bezeichnet einen Bereich mit unstetiger Strömung mit dreidimensionalen Aspekten, welcher der Innenwand 36 benachbart ist. Die unstetige Natur und die dreidimensionalen Aspekte der Strömung ergeben sich aus der Anordnung des Wärmetauschersystems 52 unmittelbar strömungsabwärts von den Bläseraustritts-Führungsleitschaufeln 42 und zwischen den benachbarten Bläserstreben 44. Wie nachfolgende besprochen, sind das Expositionsverhältnis, das Seitenverhältnis und das Eindringungsverhältnis des Einlasses wichtige Parameter zum Abschätzen des Ausgesetztseins des Wärmetauschersystems potentieller Fremdkörperbeschädigung und der Verluste, die mit der Störung des Arbeitsmediumsströmungswegs durch das Wärmetauschersystem einhergehen.
Wie in der 3 gezeigt, hat der Einlass ein Expositionsverhältnis für Fremdkörper in der ankommenden Strömung, welches das Verhältnis der Strecke Hf des Einlasses von der Innenwand des Bläserkanals (Linie Fu der ungestörten Strömung) zu der gesamten radialen Strecke Hi des Einlasses ist. Diese Strecke ist geringer als oder gleich (d. h. nicht größer als) 70% (Hf/Hi ≤ 0,70). Das Ein dringungsverhältnis ist das Verhältnis der exponierten radialen Höhe Hf des Einlasses zu der Höhe des Bläserkanals Hfd und ist nicht größer als 15% (Hf/Hfd ≤ 0,15) und, gemäß einer Ausführungsform nicht größer als 10% (Hf/Hfd ≤ 0,10). Das Seitenverhältnis ist das Verhältnis der Breite W des Wärmetauschereinlasses (s. 4) geteilt durch die Höhe zu der Außenwand Hf des Einlasses in der Radialrichtung und beträgt weniger als fünfzig (50) Prozent und gemäß einer Ausführungsform weniger als zwanzig (20) Prozent.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Wärmetauschersystems 52, welches als das Einlass- und Auslass-Modul 108 bezeichnet wird.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, weist der Einlass 58 eine erste Seite 112 und eine zweite Seite 114 an dem Übergang der Einlassebene P zu dem Einlass- und Auslass-Modul auf. Eine erste Seitenwand 116 und eine zweite Seitenwand 118 erstrecken sich von der Innenwand 98 und der Lippe 102 des Einlasses 58. Die Seitenwände erstrecken sich in Richtung strömungsaufwärts zu der Innenwand 36 des Bläserkanals 32. Jede Seitenwand nimmt in strömungsaufwärtiger Richtung in ihrer Höhe ab, bis sie die Innenwand des Bläserkanals erreicht. Eine Einlassrampe 122 ist eine gekrümmte Wand, die sich nach vorne in strömungsaufwärtiger Richtung von der Innenwand des Einlasses zu der Innenwand des Bläserkanals erstreckt. Die Einlassrampe erstreckt sich umfangsmäßig zwischen den Seitenwänden, um einen glatten Übergang von dem Bläserkanal in den Einlass zu definieren.
Der Einlass 58 hat eine Massenströmungsverhältnischarakteristik, die nicht größer als 75% (MFR ≤ 0,75) bei allen Betriebsbedingungen der Maschine ist. Die Massenströmungsverhältnischarakteristik für einen speziellen Betriebszustand der Maschine ist für den Einlass an dem ersten überdeckten Abschnitt definiert und ist die aktuelle Strömung durch den ersten überdeckten Abschnitt in den Wärmetauscherströmungsweg geteilt durch das Produkt der Dichte und der Geschwindigkeit der frei strömenden Strömung multipliziert mit der Fläche des ersten überdeckten Abschnitts. Bei einer speziellen Ausführungsform war das MFR etwa fünfzig (50) Prozent bei allen Betriebsbedingungen.
Wie erwähnt, erstreckt sich der innere Kanal 76 von dem Einlass 58. Die Innenwand des Einlasskanals geht von der Einlassebene P der Innenwand 98 des Einlasses aus. Die Außenwand des Kanals geht von der Lippe 102 des Einlasses aus. Jede der Wände konvergiert separat radial in Richtung auf die Achse Ar in strömungsabwärtiger Richtung, um einen plötzlichen Abfall unter die Linie Fu der ungestörten Strömung des Arbeitsmediumsgases zu erzeugen.
Das Einlass- und Auslass-Modul 108 besitzt Seitenwände 116, 118, die sich nach hinten erstrecken, die eine Fortsetzung der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand sind. Eine Strömungswegwand 124 erstreckt sich zwischen den Seitenwänden 116, 118 und nach hinten zu dem mit Ausbuchtungen versehenen Mischer 94 von der Außenoberfläche 104 der Lippe 102 bei dem ersten überdeckten Abschnitt. Der Einlass hat eine Breite W, die sich zwischen den Seitenwänden an der Innenwand erstreckt und für den Einlass konstant ist. Das Einlass- und Auslass-Modul 108 hat eine Breite Wo an dem Auslass 62, die sich zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand erstreckt. Die Breite Wo ist größer als die Breite W. Das Seitenverhältnis des Auslasses ist die Höhe Ho des Auslasses geteilt durch die Breite Wo und ist geringer als fünfundzwanzig (25) Prozent und bei einer Ausführungsform geringer als zwanzig (20) Prozent. Eine erste sich umfangsmäßig erstreckende Oberfläche 126 geht von der ersten Seitenwand 116 aus und eine zweite sich umfangsmäßig erstreckende Oberfläche 128 geht von der zweiten Seitenwand 118 aus, um die Innenwand 98 des Bläserbypasskanals 32 zwischen den Bläserstreben 44 zu definieren. Diese Oberflächen liefern auch Bezugsmittel für die Linie Fu der ungestörten Strömung. Eine Strebenprofilgestalt ist in jeder der sich umfangsgemäß erstreckenden Oberflächen gebildet, um das Einlass- und Auslass-Modul daran anzupassen, angrenzend mit der Bläserstrebe zusammenzuwirken, die zur Klarheit in 2 teilweise weggebrochen ist.
Wie in der 5 gezeigt, ist das Verhältnis von der Höhe Hl des mit Ausbuchtungen versehenen Mischers 94 zu der Abstandsstrecke des Mischers Hp von der Innenwand 1. Der mit Ausbauchungen versehene Mischer ist aus einer Mehrzahl von Ausbauchungsbergen 132 ausgebildet, die bezogen auf die Abgasströmung konkav sind. Die Ausbauchungsberge sind umfangsmäßig voneinander beabstandet. Eine Mehrzahl von Ausbauchungstälern 134 ist innerhalb von den Ausbauchungsbergen angeordnet und mit diesen verbunden. Die Ausbauchungstäler sind zu dem Austrittsströmungsweg 56 des Wärmetauschersystems konvex und konkav zu dem Arbeitsmediumsströmungsweg 34. Jedes Ausbauchungstal erstreckt sich zwischen einem Paar von Ausbauchungsbergen, um eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Kanälen 136 zu definieren, die sich auch radial nach innen erstrecken. Die Kanäle 138 für den Austrittsströmungsweg des Wärmetauschersystems erstrecken sich nur axial nach hinten.
Während des Betriebs der in 1 gezeigten Gasturbinenmaschine 10 strömen Arbeitsmediumsgase entlang des primären Strömungswegs 28 und des sekundären Strömungswegs 34 für Arbeitsmediumsgase. Wärme wird von verschiedenen Bauteilen auf das Kühlfluid übertragen, welches entlang des Strömungswegs 74 zu dem Wärmetauscher 54 strömt. Kühlluft strömt entlang des Strömungswegs 56 aus dem Bläserkanal 46 kontinuierlich durch den Wärmetauscher bei allen Betriebsbedingungen der Maschine. Der Strömungsweg für das Wärmetauschersystem erstreckt sich durch den Einlass 58 aufweisend den Einlasskanal 76, die erste und die zweite Leitung 80, 84 zu dem Wärmetauscher und durch den Auslass 62. Der Strömungsweg 56 ist unter allen Betriebsbedingungen ununterbrochen. Keine Ventilanordnung ist erforderlich, um die Strömung zu regeln. Das liefert ein einfaches System zum Kühlen, vermeidet die Kosten, die Komplexität und das Gewicht, welche mit dem Bereitstellen von Ventilen und dem Kontrollieren der Ventile eines derartigen Wärmetauschersystems verbunden sind.
Bei Betriebsbedingungen existiert ein ungünstiger bzw. negativer statischer Druckgradient zwischen axialen Positionen an der Innenwand 36 des Bläserkanals mit ungestörten Strömungslinien Fu, d. h. Positionen, deren Strömung nicht durch das Wärmetauschersystem 52 gestört ist. Kühlluft wird durch den Einlass 58 zu dem System an der Innenwand des Bläserkanals geleitet. Wie erwähnt, hat der Einlass eine Massenströmungsverhältnischarakteristik an dem Einlass, die nicht größer als 75% (MFR ≤ 0,75) ist und bei einer Ausführungsform etwas geringer als 50% (MFR ≤ 0,50) war. Außerdem ist die radiale Höhe Hi des Einlasses größer als die Wandströmungscharakteristik Bu. In der Folge erfährt die in den Wärmetauscher gelangende Strömung einen statischen Druckanstieg, der ausreichend ist, die Strömung durch das Wärmetauschersystem zu treiben. Die Gesamtdruckrückgewinnung ist hoch, weil die Höhe Hi des Einlasses größer ist als die Höhe der Wandströmungscharakteristik Bu. Die Länge Lid des Einlasskanals 76 sorgt für ein Vermischen von sämtlicher separierter Strömung, zu der es am Einlass kommt. Das ermöglicht eine weitere Druck-Rückgewinnung in Form eines statischen Druckanstiegs an dieser Position.
Der Anstieg des statischen Drucks an dem Einlass 58 treibt die gefangenen Gase entlang des Strömungswegs 56 für das Wärmetauschersystem 52. Es kommt zu einer Strömung, obwohl ein negativer statischer Druckgradient in dem Bläserkanal 46 entlang einer Linie der ungestörten Strömung zwischen dem Einlass 58 und dem Auslass 62 existiert. Das ermöglicht die Konstruktion eines Wärmetauschersystems mit einer relativ kurzen Länge (gemäß einer Ausführungsform etwa 1 Fuß) verglichen mit den Wärmetauschersystemen, die sich auf eine statische Druckdifferenz entlang einer Linie ungestörter Strömung in dem Bläserkanal zwischen der axialen Einlassposition und der axialen Auslassposition (einige Fuß) verlassen muß, oder verglichen mit Konstruktionen, die ein Niedrigdruck-Compartment als einen Sumpf für aus dem Arbeitsmediumsströmungsweg abgegebene Gase verwenden. Außerdem blockieren die Seitenwände 116, 118 der Einlassrampe 122 eine Strömung zur Seite der Rampe und behalten den statischen Druckanstieg bei, der sich an der Rampe des Einlasses 58 zu bilden beginnt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Konstruktion und des vorliegenden Verfahrens zum Betreiben der Maschine ist das Niveau an Widerstand, der verursacht durch das in den Arbeitsmediumsströmungsweg ragende Wärmetauschersystem 52 erfahren wird. Das Seitenverhältnis des Wärmetauschereinlasses ist nicht größer als 20% und der Auslass ist nicht größer als 25%. Außerdem ist das Projektionsverhältnis des Wärmetauschersystems in den Strömungsweg nicht größer als 10% der Höhe des Arbeitsmediumsströmungswegs. Das führt zu akzeptablen Niveaus an Widerstand und einen einhergehenden geringen Verlust an Energie, wenn die Arbeitsmediumsgase 34 in dem Bläserbypasskanal 32 an dem Einlass- und Auslass-Modul 108 des Wärmetauschersystems 52 vorbeistreifen.
Außerdem verringern das niedrige Seitenverhältnis und das Projektionsverhältnis des Einlass- und Auslass-Moduls 108 in den Arbeitsmediumsströmungsweg 34 die Möglichkeit von Fremdkörperbeschädigung und -aufnahme. Das verringert die Möglichkeit einer Blockage des Wärmetauschers mit Eis und anderen Trümmern, die früher in den Arbeitsmediumsströmungsweg der Maschine aufgenommen wurden, verglichen mit Konstruktionen mit einem größeren Projektionsverhältnis und einem größeren Seitenverhältnis für den Einlass. Die Rampe 22 und der Einlasskanal 76 schaffen einen plötzlichen Abfall unter die Linie Fu der ungestörten Strömung an dem Einlass 58. Das bewirkt, dass Fremdkörper in der zu der in den Einlass gelangenden Strömung benach barten Hauptströmung an dem Einlass zu dem Wärmetauschersystem vorbeiwischen. Außerdem ist der Einlass an der Innenwand 36 des Bläserkanals angeordnet. Fremdkörper werden generell zentrifugal nach außen bewegt, wobei es zu einem größeren Auftreten an Fremdkörperbeschädigung in dem Bereich oberhalb eines Projektionsbereichs von 10% kommt als in einem Projektionsbereich von 10% Vorsprung durch den Einlass in dem Bläserkanal. Somit ist der Einlass von einer größeren Größe als die Wandströmungscharakteristik Bu, aber gering genug, so dass viele Fremdkörper an dem Einlass vorbeiwischen.
Eis ist ein spezielles Problem, das bei einem Betrieb in großer Höhe oder, wenn das Flugzeug durch Hagel- und Eisstürme hindurchfliegt, auftritt. Eisstücke, die einen Durchmesser haben, der größer ist als die Projektion des Einlasses in den Bläserkanal 32, werden den Eingang zu dem Bläserkanal treffen und an dem Einlass 58 zerbrechen. Der Bereich der Außenwand des Einlasses hat eine verstärkte Dicke von etwa 4 bis 6 Mal der Dicke der Innenwand.
Das Verfahren zum Betreiben der Maschine beinhaltet das Hindurchleiten der Kühlluft des Wärmetauscherströmungswegs 56 durch den Einlass 58 und das Kanalisieren der Kühlluft steil nach unten, um das Aufnehmen von Fremdkörpern zu behindern, wie vorangehend erwähnt. Es bewirkt auch, dass Fremdkörper, beispielsweise Eis, auf die Wände 79 und gegen andere Strukturen, beispielsweise Leitelemente 82, die den Strömungsweg begrenzen, treffen und an dem Inneren des Einlasskanals 76 und in der ersten Leitung 80 in dem Wärmetauscherhohlraum 66 zerbrechen. Beispielsweise werden diese Teilchen die Einlassführungsleitelemente 82 zu dem Wärmetauscher treffen, wenn sich die Teilchen radial nach innen bewegen, und können, wenn sie sich mit einem ausreichenden Impuls bewegen, den Boden des Hohlraums treffen, bevor sie gegen den Einlass des Wärmetauschers treffen, was eine Beschädigung an der anfälligeren Struktur des Wärmetauschers vermeidet.
Ein weiterer Vorteil davon, dass sich der Strömungsweg stark nach innen und stark nach außen verglichen mit der axialen Länge der Kanäle erstreckt, ist die Kompaktheit des Wärmetauschersystems. Das Wärmetauscher-Einlass- und -Auslassmodul hat eine Länge von etwa einem Fuß bei einer Ausführungsform. Das Verhältnis von Länge zu Höhe des Systems beträgt etwa 1 (L/H < 0,9 bis 1,1).
Nach dem Erwärmen der Kühlluft in dem Wärmetauscher 54 läßt man die erwärmte Luft radial nach außen durch die zweite Leitung und in die Austrittspassage 86 strömen. Der erste Bereich 88 erstreckt sich radial nach außen und der zweite Bereich 92 erstreckt sich radial in die strömungsabwärtige Richtung, um die austretenden Gase aus dem Wärmetauscher nach hinten zu lenken. Die austretenden Gase aus dem Wärmetauscherströmungsweg 56 treffen auf den mit Ausbauchungen versehenen Mischer 94. Der Betrieb der Maschine beinhaltet das Vermischen dieser erwärmten Austrittsgase 46 mit den kühleren Arbeitsmediumsgasen aus dem Bläserkanal. Der mit Ausbauchungen versehene Mischer fördert das Vermischen und stellt sicher, dass die Energie von den Gasen in den Arbeitsmediumsgasweg gelangt, wo sie nützlich die Schubwärme einer Struktur benachbart erhöhen, wie es auftreten kann bei Konstruktionen, bei denen die Wärme auf Metallplatten übertragen wird, die die Verbundmaterialwand der Gondel abschirmen, und die dann an andere Orte der Maschine übertragen wird. Diese erwärmten Gase erhöhen die Energie des Gasstroms und gleichen bei einer Ausführungsform den Energieverlust aus, der durch das Strömen der Gase durch den Wärmetauscherströmungsweg verursacht wird.
Ein weiterer Vorteil ist die Haltbarkeit der strömungsabwärtigen Struktur 64, welche sich aus den ausgebauchten Tälern 134 des Mischers 94 ergibt, die radial nach innen gerichtet sind. Die kanalisierte Luft der ausgebuchteten Täler hat eine viel größere dynamische Druckhöhe oder Geschwindigkeitsdruckhöhe (die Hälfte der Dichte multipliziert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit), was viel größer ist als die dynamische Druckhöhe der erwärmten Luft 56, die von dem Wärmetauschersystem 52 austritt. Bei einer Konstruktion ist die dynamische Druckhöhe der Arbeitsmediumsgase viermal größer als die dynamische Druckhöhe der Wärmetauschergase. In der Folge treiben die Strömungsweggase 34 nach innen in die Austrittsgase 56 und schaffen einen Schleier aus Kühlluft für die Struktur hinter dem Wärmetauschersystem 52. Dieser Schleier aus Luft unterbindet ein Kontaktieren der Wand durch die Gase aus dem Wärmetauscher durch der Wand benachbarte Kühlluftvorhänge. Das vermeidet ein Auftreten einer Übertemperatur an irgendwelcher benachbarter Verbundmaterialstruktur 64, beispielsweise der schallabsorbierenden Struktur und vermeidet die Notwendigkeit von Metallschutzschildern, die in dem Strömungsweg angeordnet sind, um eine derartige Struktur gegen Zustände mit Temperaturüberschreitung zu schützen.
Ein besonderer Vorteil der modularen Konstruktion des Wärmetauschereinlasses und -auslasses ist das Verfahren, durch welches das Einlass- und Auslass-Modul 108 schnell und effizient geformt werden kann. Das Einlass- und Auslass-Modul ist eine Gusskonstruktion. Der Einsatz der Gusstechnik ist verbessert durch die relativ geringe Größe des Gussstücks. Die Gusskonstruktion erlaubt präzise konturierte Passagen und eine robuste Konstruktion an kritischen Positionen verglichen mit Vorrichtungen, die aus dünnem Metallblech gebildet sind. Außerdem stellt das Gießen sicher, dass die Relation zwischen dem Strömungsweg und dem aerodynamischen Einlass die Anforderungen der aerodynamischen Konstruktion erfüllt. Die Konstruktion erlaubt ein einfaches Austauschen im Fall einer Beschädigung des Einlass- und Auslass-Moduls.
Das Herstellen des Einlass- und Auslass-Moduls als ein Gussstück hat weitere Vorteile. Beispielsweise werden die komplexen Formen der Strömungswege leicht zeitlich nacheinander gebildet. Das vermeidet das Erfordernis nach vielen verschiedenen Arten von Werkzeugen, um die mit der Metallblechkonstruktion einhergehenden komplizierten Formen zu bilden, und das Schweißen der Metallblechabschnitte.
Ein weiterer Vorteil eines gegossenen Moduls für den Einlass und den Auslass ist das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht der Konstruktion. Das Gießen erlaubt unterschiedlich dickes Material an unterschiedlichen Positionen für das Einlass- und Auslass-Modul, was es dem Modul ermöglicht, die Dicken maßgeschneidert zu haben, so dass es an der Vorderkante und anderen Positionen, wo das erforderlich ist, dicker ist, beispielsweise an der Einlass- und Auslasswand und den Seiten, und mit dünneren Wänden mit Rippen an Positionen hat, wo die Festigkeit nicht benötigt wird, um einer Fremdkörperbeschädigung zu widerstehen, oder aus anderen Gründen. Außerdem ist das Gießen eine einstückige Konstruktion, wobei die gesamte Steifigkeit der Struktur größer ist, als wenn das Teil aus Stücken zusammengesetzt wäre.
Die einstückige Konstruktion ist auch gewichtsmäßig leichter, eliminiert Flansche, die benötigt werden, um Teile in Konstruktionen, die aus mehreren Bauteilen gemacht sind, aneinander anzuschließen, unabhängig davon, ob die Bauteile gegossen sind oder geschweißtes Metallblech. Ein aerodynamischer Vorteil ergibt sich durch das Eliminieren von Stufen oder Spalten, die zwischen Bauteilen auftreten und aerodynamische Verluste bewirken. Die kritische aerodynamische Ausrichtung zwischen dem Auslass 58 und dem Einlass 62 ist beibehalten.
Schließlich sorgen die modulare Konstruktion von Einlass und Auslass für eine Einfachheit der Installation von einem oder mehreren Modulen in der Maschine. Beispielsweise haben manche Maschinenkonstruktionen ein erstes Einlass- und Auslass-Modul, welches sich in Strömungsverbindung mit einem ersten Wärmetauscher befindet und ein zweites Einlass- und Auslass-Modul, welches sich in Strömungsverbindung mit einem zweiten Wärmetauscher befindet.
Beide dieser Module können einfach ersetzt oder einfach entfernt werden, um die Inspektion des Wärmetauscherhohlraums hinsichtlich Blockage oder hinsichtlich Fremdkörperbeschädigung zu erlauben, sollte die Maschine durch ernste Hagelstürme geflogen sein. Schließlich ist ein Vorteil der Installation und des Entfernens des Moduls die Austauschbarkeit der Module, weil die Konstruktion eine gegossene einstückige Konstruktion ist, die die Ausrichtung zwischen Auslass und Einlass beibehält.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie durch die anschließenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Gasturbinenmaschine, die um eine Rotationsachse Ar angeordnet ist, wobei die Maschine einen primären ringförmigen Strömungsweg (28) für Arbeitsmediumsgase, der um die Achse Ar angeordnet ist, und einen sekundären ringförmigen Strömungsweg (34) für Arbeitsmediumsgase, der um den primären Strömungsweg angeordnet ist, hat, wobei der sekundäre Strömungsweg einen von Wänden begrenzten Bläserkanal (32) hat, die eine Innenwand (36), eine Außenwand (38), eine sich zwischen der Innenwand und der Außenwand erstreckende radiale Gabelungswand (44) aufweisen, wobei der sekundäre Strömungsweg ferner einen Einlass (58), einen Auslass (62) und sich axial zwischen dem Einlass und dem Auslass zum Kanalisieren von Kühlluft von dem sekundären Strömungsweg (34) zu einem Wärmetauschersystem und zum Zurückbringen der Kühlluft zu dem Strömungsweg erstreckende Strömungswegwände (78, 79) hat, wobei der sekundäre Strömungsweg sich entlang der Wände des sekundären Strömungswegs erstreckende Strömungslinien hat, die Strömungslinien Fd, welche durch den Einlass für das Kanalisieren von Kühlluft zu dem Wärmetauschersystem gestört sind, und Strömungslinien Fu hat, die durch den Einlass zu dem Wärmetauschersystem nicht gestört sind, wobei der Einlass (58) eine Einlassebene P, die rechtwinklig zu der in den Einlass gelangenden Strömung ist, eine innere Wand (78), die sich von der Linie Fu der ungestörten Strömung nach innen erstreckt, eine äußere Wand (79), die sich von einer Einlasslippe (102) erstreckt, aufweist, wobei die Lippe radial nach außen von dem Schnitt der Einlassebene P an der Innenwand des Einlasses eine radiale Einlasshöhe Hi beabstandet ist, und wobei die Lippe radial nach außen von der Linie der ungestörten Strömung eine radiale exponierte Höhe Hf hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (58) und der Auslass (62) durch ein Einlass und Auslassmodul, das ein einstückiges Gussteil ist, ausgebildet sind, dass die Lippe (102) zu dem Auslass auch nach hinten von dem Schnitt der Einlassebene P an der Innenwand des Einlasses beabstandet ist, und dass der Einlass ein Expositionsverhältnis hat, bei dem es sich um das Verhältnis der radial exponierten Höhe Hf zu der radialen Einlasshöhe Hi handelt und das nicht größer als 0,7 (Hf/Hi £ 0,7) ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die Einlasslippe (102) des Einlass und Auslassmoduls (108) eine Dicke hat, die mindestens vier Mal der Dicke des Materials an mindestens einer inneren Wand des Einlass und Auslass-Moduls (108) ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die Außenwand des Einlass und Auslass-Moduls (108) sich umfangsmäßig eine Breite W erstreckt, so dass der Einlass ein Seitenverhältnis hat, bei dem es sich um das Verhältnis einer exponierten radialen Höhe Hf zu der Breite W des Einlasses handelt, die nicht größer als ein halb (Hf/W £ 0,50) ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 3, wobei das Einlassseitenverhältnis nicht größer als 0,25 (Hf/W £ 0,25) ist.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Durchströmungsverhältnis der exponierten radialen Höhe Hf an dem Einlass zu der Höhe des Bläserkanals nicht größer als 0,15 (Hf/Hfd £ 0,15) ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 5, wobei das Einlass-Durchströmungsverhältnis nicht größer als 0,10 (Hf/Hfd £ 0,10) ist.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Auslass (62) des Einlass und Auslass-Moduls (108) eine Austrittspassage (86) hat, die axial von dem Einlass beabstandet ist und an einem Auslassabschnitt (96) endet, wobei der Auslass eine äußerste Wand (104) hat, die radial außerhalb der Linie der ungestörten Strömung eine maximale radiale Höhe Ho beabstandet ist und eine Breite Wo hat und ein Auslassseitenverhältnis hat, das nicht größer als 0,5 (Ho/Wo £ 0,50) ist.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 7, wobei der Auslass (62) des Einlass und Auslass-Moduls ferner einen Mischer (94) hat, der sich von dem Auslassabschnitt (96) strömungsaufwärts erstreckt, wobei der Mischer eine Mehrzahl von nach innen ragenden Kanälen (136) hat, die daran angepasst sind, Arbeitsmediumsgase aus dem sekundären Strömungsweg (34) für den Bläserkanal (32) mit einer radial nach innen gerichteten Geschwindigkeitskomponente in Richtung auf die Innenwand (36) des Bläserkanals strömen zu lassen, um die Arbeitsmediumsgase mit der Kühlluftausströmung aus dem Wärmetauschersystem (52) zu vermischen.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 8, wobei der Mischer (94) eine Mehrzahl von Ausbauchungsbergen (132) hat, die relativ zu der Austrittsströmung (56) konkav sind, wobei sie umfangsmäßig voneinander beabstandet sind, und eine Mehrzahl von Ausbauchungstälern (134) innerhalb der Ausbauchungsberge hat, die relativ zu dem Austrittsströmungsweg des Wärmetauschersystems konvex und relativ zu dem Arbeitsmediumströmungsweg (56) konkav sind, wobei sich jedes Ausbauchungstal zwischen einem Paar von Ausbauchungsbergen erstreckt, um eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Kanälen (136, 138) zu definieren, wobei die Kanäle (136) für den Austrittsströmungsweg des Wärmetauschersystems sich nach hin ten erstrecken und sich die Kanäle (138) für den Bläserkanalströmungsweg radial nach innen erstrecken.
Gasturbinenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Innenwand und die Außenwand (78, 79) des Einlass und Auslass-Moduls (108) einen Einlasskanal (76) schaffen, in dem die innere und die äußere Wand separat radial in Richtung auf die Achse Ar in Richtung strömungsabwärts konvergieren, um einen plötzlichen Abfall unter die Linie Fu der ungestörten Strömung zu erzeugen.