DE69831646T2

DE69831646T2 - Turbinendichtung

Info

Publication number: DE69831646T2
Application number: DE69831646T
Authority: DE
Inventors: David Alan Hamilton Di Salle; Steven Alan Cincinnati Ross; Gulcharan Singh West Chester Brainch; Robert West Chester Proctor; Dean Joseph Park Hills Albers; Dean Thomas Cincinnati Lenahan; Edward Patrick West Chester Brill; John Christopher Lawrenceburg Brauer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: DE69831646D1; JPH11236802A; US5984630A; EP0926315A3; JP4315504B2; EP0926315B1; EP0926315A2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere eine Reduktion der Reibungserwärmung von Luft, die durch eine vordere äußere Dichtung in einer Hochdruckturbine hindurchtritt.
Gasturbinentriebwerke enthalten im Allgemeinen einen Hochdruckverdichter zur Komprimierung von Luft, die durch den Motor, eine Brennkammer, in der Brennstoff mit der komprimierten Luft vermischt und gezündet wird, um einen energiereichen Gasstrom zu bilden, und eine Hochdruckturbine strömt. Der Hochdruckverdichter, die Brennkammer und die Hochdruckturbine werden manchmal gemeinsam als das Kerntriebwerk bezeichnet. Derartige Gasturbinentriebwerke können ferner einen Niederdruckverdichter oder Booster enthalten, der dazu dient, komprimierte Luft zur weiteren Kompression dem Hochdruckverdichter zuzuführen.
Falls die Scheibenrandtemperatur in der Hochdruckturbine Betriebsgrenzwerte erreicht, sind Randkavitätskühlsysteme erforderlich. Es sind reibungsarme Vorrichtungen, beispielsweise Spaltreibungsabdeckungen und gerade oder aufwärtsstufenförmige Dichtungen eingesetzt worden, um Kühltemperaturen zu steuern und dadurch kritische Komponenten vor zunehmend schwierigeren Motorzyklusbedingungen zu schützen. Zusätzlich ist eine Kombination einer vorderen äußeren Dichtungs-(FOS, Forward Outer Seal)strömung und einer FOS-Nebenströmung eingesetzt worden, um die vordere Randkavität mit vernünftiger Menge Kühlluft zu versorgen. Die FOS-Nebenströmung ist effektiv, weil eine derartige Strömung durch die Reibungsaufheizung in der Dichtung nicht beeinflusst ist. Eine derartige Nebenströmung verringert jedoch die Leistung der Hochdruckturbine und der Schaufelkühlströmung der Hochdruckturbine.
Da Leistungsziele immer höher werden, muss die FOS-Nebenströmung verringert oder eliminiert werden. Natürlich sollte eine Reduktion oder Beseitigung einer derartigen Strömung die Erfüllung der Kühlanforderungen nicht ungünstig beeinflussen.
US-A-5 281 090 und US-A-4 662 821 beschreiben jeweils eine Kühlanordnung für eine Hochdruckturbine unter Verwendung mehrerer Blockerlöcher, die sich durch eine stationäre Komponente hindurch erstrecken, die eine vordere äußere Dichtungsnebenströmung und Verdichteraustrittsluft empfängt, wobei zwischen der stationären Komponente und einer rotierenden Dichtung eine Drallerzeugungs- oder Verwirbelungskavität angeordnet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Hochdruckturbine geschaffen, die aufweist: eine stationäre Komponente; eine rotierende Dichtung; Mittel zur Zuführung von Kühlluft für die Dichtung, wobei die Kühlluft in eine vordere äußere Dichtungsströmung und eine vordere äußere Dichtungsnebenströmung aufgeteilt wird; wobei die rotierende Dichtung wenigstens eine erste und eine zweite Verwirbelungs- oder Drallerzeugungskavität zwischen der stationären Komponente und der rotierenden Dichtung enthält, wobei die zweite Kavität stromaufwärts von der ersten Kavität in Bezug auf den dazwischen befindlichen Strom der vorderen äußeren Dichtungsströmung angeordnet ist; und gekennzeichnet durch: mehrere Blockerlöcher, die sich durch die stationäre Komponente hindurch erstrecken und in die zweite Kavität einmünden, so dass während eines Turbinen betriebs eine weitere Dichtungsströmung, die von der vorderen äußeren Dichtungsnebenströmung abgetrennt wird, der zweiten Kavität zugeführt wird, und wobei wenigstens einige der Blockerlöcher in tangentialer Richtung unter einem Winkel von ungefähr 45 Grad in Bezug auf eine Rotationsrichtung der Dichtung ausgerichtet sind. Diese Anordnung ergibt eine Vorverwirbelung oder einen Vordrall in der Luft, bevor diese in die Verwirbelungs- oder Drallerzeugungskavität eingeblasen wird. Außerdem ist die Anzahl der Löcher um etwa 50% der Anzahl der in der bekannten CFM56-Turbine verwendeten Blockerlöcher reduziert. Ferner wird die Luft in eine zweite Drallerzeugungskavität und nicht in die erste Drallerzeugungskavität eingeblasen, wie dies bekannt ist.
Der kombinierte Effekt der Ausrichtung der Löcher unter dem 45 Grad betragenden tangentialen Winkel in Bezug auf die Umlaufrichtung der Dichtung, der Anordnung der Löcher mit einer Mündung in die zweite Drallerzeugungskavität und der Reduktion des Strömungsbereichs um ungefähr 50% führt zu einer Erhöhung des Blockerloch-Druckverhältnisses. Eine Erhöhung des Blockerloch-Druckverhältnisses hat eine höhere Lochaustrittsgeschwindigkeit zur Folge, die den Kavitätseinlassdrall auf ein Maximum steigert.
Die oben beschriebenen Blockerlöcher erzeugen somit nicht nur einen Gegendruck, sondern dienen auch als Drallerzeuger. Indem der in die zweite Drallerzeugungskavität eingeblasenen Luft ein Drall gegeben wird, wird eine bessere Effizienz der Turbinenscheibenrandkühlung erzielt. Dieses Ergebnis unterstützt die Aufrechterhaltung vernünftiger Metalltemperaturen unter zunehmend schwierigeren Zyklusbedingungen ohne die normalerweise erwarteten Leistungseinbußen des Triebwerks.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist nun zu Beispielszwecken mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Turbinenscheibenrandes, der eine bekannte Blockerlochkonfiguration aufweist;
2 eine schematische Darstellung des Turbinenscheibenrandes mit einer Blocker- und Drallerzeuger-Lochkonfiguration entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es wird angenommen, dass die vorliegende Erfindung insbesondere in Verbindung mit Hochdruckturbinen, beispielsweise der CFM56-HP-Turbine, wie sie kommerziell von der General Electric Company, Cincinnati, Ohio, erhältlich ist, nützlich ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in Verbindung mit sonstigen Hochdruckturbinen eingesetzt werden und ist nicht auf die Anwendung in der nachstehend beschriebenen speziellen Turbinenkonfiguration beschränkt.
Insbesondere und bezugnehmend auf 1, die eine schematisierte Darstellung eines Abschnitts einer CFM56-Turbine 10 mit einer bekannten Blockerlochkonfiguration darstellt, enthält die Turbine 10 auf bekannte Weise rotierende Komponenten 12 sowie stationäre Komponenten 14. Eine der rotierenden Komponenten 12 ist beispielsweise eine Dichtung 16. Mehrere Strömungspfade verlaufen durch wenigstens Abschnitte der Turbine 10, wie beispielsweise ein vorderer äußerer Dichtungs-(FOS, Forward Outer Seal)strom 18 und ein FOS-Nebenstrom 20. Der Strömungspfad 18 verläuft beispielsweise durch eine erste Verwirbelungs- oder Dral lerzeugungskavität 22 zwischen der Dichtung 16 und den stationären Komponenten 14 zu einer vorderen Randkavität 24. Luft wird dem Strömungspfad 18 sowohl von der Dichtungsaustrittsluft 26 des Verdichteraustrittsdrucks (CDP, Compressor Delivery Pressure) als auch von der Düsenkühlluft 28 zugeführt. Der FOS-Nebenströmung wird Luft von der CDP-Dichtungsaustrittsluft 26 zugeführt.
Wie in 1 veranschaulicht, ist in der stationären Komponente 14 ein Blockerloch 30 ausgebildet, wobei die Dichtungsaustrittsluft 26 durch das Blockerloch 30 in die erste Drallerzeugungskavität 22 strömt. Eine Luftströmung durch das Blockerloch 30 erzeugt einen Gegendruck für die Dichtung 16 und begrenzt den durch die Dichtung 16 führenden Leckstrom der Schaufelkühlluft der Hochdruckturbine. In der Praxis und in der CFM56-Turbine sind mehrere Blockerlöcher 30 vorgesehen.
Eine Luftströmung durch die Blockerlöcher 30 führt jedoch zu dem Einblasen unverwirbelter Luft in die erste Drallerzeugungskavität 22. Infolgedessen lässt die rotierende Dichtung 16 der Kavitätsluft mehr Nettodrehmoment zukommen und verleiht deshalb mehr Wärme in dieser. Das Einbringen einer größeren Wärmemenge in die Kavität führt zu einer Verringerung der Leistung der Hochdruckturbine und der Schaufelkühlströmung der Hochdruckturbine.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Konfiguration eines Blocker- und Drallerzeugerlochs 50 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere wird anstelle einer Einblasung von Luft in die erste Verwirbelungs- oder Drallerzeugungskavität 22 Luft in eine zweite Verwirbelungs- oder Drallerzeugungskavität 52 eingeblasen. Außerdem ist das Blockerloch 50 unter einem tangentialen Winkel von 45 Grad in Bezug auf die Rotationsrichtung der Dichtung 16 ausgerichtet, was zu einer Vorverwirbelung der Luft führt, bevor diese in die zweite Drallerzeugungskavität 52 eingeblasen wird. Ferner ist die Anzahl der Löcher 50 um in etwa 50% der Anzahl der Löcher 30 (1) reduziert, die in der bekannten CFM56-Turbine verwendet werden.
Der kombinierte Effekt der Ausrichtung der Löcher 50 unter einem 45 Grad betragenden Tangentialwinkel in Bezug auf die Rotationsrichtung der Dichtung 16, der Anordnung der Löcher 50 mit einer Mündung in die zweite Drallerzeugungskavität 52 und der Reduktion des Strömungsbereichs um ungefähr 50% führt zu einer Erhöhung des Blockerloch-Druckverhältnisses. Eine Erhöhung des Blockerloch-Druckverhältnisses hat eine höhere Lochaustrittsgeschwindigkeit zur Folge, was den Kavitätseinlassdrall oder die Kavitätseinlassverwirbelung maximiert.
Die Blockerlöcher 50 sorgen somit nicht nur für einen Gegendruck, sondern dienen auch als Drallerzeuger. Indem der in die zweite Drallerzeugungskavität 52 eingeblasenen Luft ein Drall verliehen wird, wird eine bessere Effizienz bei der Kühlung des Turbinenscheibenrandes erzielt. Dieses Ergebnis unterstützt die Aufrechterhaltung vernünftiger Metalltemperaturen bei zunehmend schwierigeren Zyklusbedingungen ohne die normalerweise erwarteten Einbußen hinsichtlich des Triebwerkverhaltens.
Darüber hinaus könnten die tangential ausgerichteten Löcher 50, anstatt in die zweite Kavität 52 zu münden, in die erste Kavität 52 einmünden und dennoch einige Vorteile bieten.
Außerdem können mehr als zwei Verwirbelungs- oder Drallerzeugungskavitäten zwischen der Dichtung 16 und den stationären Komponenten 14 ausgebildet sein. Beispielsweise können drei oder mehr Drallerzeugungskavitäten vorgesehen sein. Falls mehr als zwei Drallerzeugungskavitäten ausgebildet sind, kann die Strömung zu einer Drallerzeugungskavität an dem stromabwärts liegenden Ende der Dichtung geleitet werden.

Claims

Hochdruckturbine (10) mit einer stationären Komponenten (14); mit einer rotierenden Dichtung (16); mit Mitteln zur Zuführung von Kühlluft (26) für die Dichtung, wobei die Kühlluft in eine vorwärtsgerichtete äußere Dichtungsströmung (18) und eine vorwärtsgerichtete äußere Dichtungsnebenströmung (20) aufgeteilt ist; wobei die rotierende Dichtung (16) wenigstens eine erste und eine zweite Verwirbelungkavität (22, 52) zwischen der stationären Komponente und der rotierenden Dichtung enthält, wobei die zweite Kavität stromaufwärts von der ersten Kavität in Bezug auf den dazwischen strömenden Strom der vorwärtsgerichteten äußeren Dichtungsströmung (18) angeordnet ist; und gekennzeichnet durch mehrere Blockerlöcher (50), die durch die stationäre Komponente hindurch verlaufen und sich in die zweite Kavität (52) öffnen, so dass eine weitere Dichtungsströmung, die von der vorwärtsgerichteten äußeren Dichtungsnebenströmung (20) abgetrennt wird, während eines Turbinenbetriebs der zweiten Kavität zugeführt wird, und wobei wenigstens einige der Blockerlöcher (50) in tangentialer Richtung unter einem Winkel von ungefähr 45° in Bezug auf eine Rotationsrichtung der Dichtung ausgerichtet sind.
Hochdruckturbine nach Anspruch 1, wobei Luft, die durch die Blockerlöcher strömt, in Folge des Hindurchströmens einen Drall erfährt.
Hochdruckturbine nach Anspruch 1, wobei tangential ausgerichtete Blockerlöcher sich auch in die erste Kavität (22) öffnen.
Hochdruckturbine nach Anspruch 1, wobei ein Auslass der stationären Komponente stromabwärts von den Sperrlöchern (50) vorhanden ist, wobei der Rest der vorwärtsgerichteten äußeren Dichtungsnebenströmung in die vorwärtsgerichtete äußere Dichtungsströmung (18) stromabwärts von der rotierenden Dichtung abgegeben wird.