DE69909585T2

DE69909585T2 - Kühlluftsystem einer Gasturbine

Info

Publication number: DE69909585T2
Application number: DE69909585T
Authority: DE
Inventors: William John Oldbury-on-Severn Pearce; Pauline Bradley Stoke Manchee
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: EP1013882A3; GB2345942A8; DE69909585D1; US6357999B1; GB2345942B; GB2345942A; EP1013882B1; GB9828665D0; EP1013882A2

Description

Die Erfindung betrifft ein internes Gasturbinentriebwerk-Luftsystem. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Steuerung und Verteilung interner Kühlluft in den Leitschaufeln eines Hochdruckturbinenabschnitts eines Gasturbinenschubtriebwerks.
Ein internes Triebwerksluftsystem hat mehrere wichtige Funktionen für den sicheren und effizienten Betrieb des Triebwerks zu leisten. Diese umfassen unter anderem die innere Triebwerkskühlung, das Verhindern des Eindringens heißer Gase in die Turbinenscheibenhohlräume, und das Kühlen feststehender drehender Bauteile. Da eine zunehmende Arbeitsmenge auf die Luft ausgeübt wird, während sie durch den Verdichter fortschreitet, wird die Luft üblicherweise so früh wie möglich aus dem Verdichter entnommen, unter Berücksichtigung der Erfordernisse jeder besonderen Funktion. Jedoch im Falle von Kühlfunktionen usw. im Bereich einer Hochdruckturbine wird die Luft normalerweise von einer späten Stufe des Verdichters abgeleitet, so daß sie mit beträchtlicher Arbeit beaufschlagt worden ist, so daß sie effizient gesteuert und verteilt werden muß, um Leistungsverluste zu minimieren.
Im Hochdruckturbinenabschnitt wird Kühlluft zur Steuerung der Temperatur sowohl statischer als auch drehender Komponenten, nämlich Düsenleitschaufeln und Scheiben usw., entweder durch Kühlen oder Erwärmen derselben benutzt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung sicherzustellen und die Effizienz durch Steuerung der Wärmebewegung zu verbessern. Dadurch können Schaufelspitzen- und Dichtungsspielräume auf optimalen Dimensionen zur Maximierung der Effizienz gehalten werden. Hohe thermische Effizienz erfordert eine hohe Turbineneintrittstemperatur, und die Wärmeableitung von den Turbinenschaufeln in die Turbinenscheibe erfordert die Kühlung der Scheibe, um thermische Ermüdung zu vermeiden und Dehnungs- und Schrumpfungsraten zu beherrschen, und Düsenleitschaufeln müssen ebenfalls innengekühlt werden. Ein besonderes Problem tritt in der Hochdruckturbine auf, wobei in der letzten Triebwerksgeneration besondere Aufmerksamkeit der Kühlung der Scheibe der ersten Stufe und dem unmittelbar darauffolgenden Düsenleitschaufelkranz geschenkt wird. Diese Düsenleitschaufelkränze arbeiten mit Hinterkantenfilmkühlöffnungen, so daß die interne Verteilung der Kühlluft innerhalb der Düsenleitschaufeln sowie auch die Steuerung der Luftströmung durch die Austrittsöffnungen in den Gaskanal wichtig ist.
Die GB 1 359 983 beschreibt eine Schaufel, die mit einem Kühlmittelströmungspfad an der Front der Schaufel und einem zweiten abgewickelten Kühlmittelströmungspfad hinter dem ersten Strömungspfad ausgestattet ist. Beide Strömungspfade endigen an der Hinterkante der Schaufel. Jedoch leitet diese Schaufel die Luft nicht in eine Sammelkammer und erleichtert daher nicht die Kühlung der Turbinenscheibe.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat ein internes Gasturbinentriebwerks-Luftsystem eine Mehrfachdurchgangs-Kühlanordnung für Schaufelblattteile in einer nicht umlaufenden Turbinenstufe, wobei im Betrieb eine Kühlströmung aus einer Kühlmittelquelle durch einen ersten Kanal in jedem der Schaufelblattteile in eine Sammelkammer angrenzend an eine Scheibe einer benachbarten Läuferstufe geleitet wird, und die Schaufelblattteile jeweils mit einem zweiten Innenkühlkanal mit einer Eintrittsöffnung ausgebildet sind, die mit der Sammelkammer und einer Anzahl von Austrittsöffnungen in Verbindung steht, von denen mindestens eine eine Kühlströmung aus dem zweiten Kühlkanal über Strömungsdrosselmittel erhält, welche die Strömung durch die Öffnung relativ zu mindestens einer weiteren der Austrittsöffnungen drosseln.
Die Erfindung wird nunmehr unter lediglich beispielshalber Bezugnahme auf eine in der anliegenden Zeichnung dargestellte Ausführungsform die näheren Einzelheiten beschrieben.
Gemäß der Zeichnung ist dort bei 2 ein Hochdruckturbinenrotor mit einer Scheibe 4 gezeigt, die eine Vielzahl von Hochdruckturbinenschaufeln trägt, von denen eine mit 6 bezeichnet ist, und die umfangsmäßig um ihren Außenumfang beabstandet sind. In dem besonderen Beispiel ist eine deckbandlose Turbinenstufe dargestellt, so daß eine Reihe von Wandauskleidungssegmenten 8 kranzförmig stirnförmig aneinanderstoßend um das innere eines Turbinengehäuses 10 angeordnet sind, welches die Rotorbaugruppe umgibt. Zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln 6 und der Innenumfangsfläche der Auskleidungssegmente 8 wird mittels eines Spitzenspielraumsteuersystems, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist und welches die vorliegende Erfindung nicht betrifft, ein Spielraum aufrechterhalten.
Unmittelbar stromab der Hochdruckturbinenstufe befindet sich eine ringförmige Anordnung von Hochdruckturbinen-Düsenleitschaufeln, von denen eine mit 12 bezeichnet ist, die teilweise aufgeschnitten ist, um ihr inneres Kühlsystem zu zeigen. Eine Mehrzahl solcher Düsenleitschaufeln 12 sind in Umfangssegmenten zwischen segmentierten inneren und äußeren Ringplattformen 16, 18 angeordnet, die aneinanderstoßend um den ringförmigen Gaspfad angeordnet sind. Jede Düsenleitschaufel weist ein in zwei Teile unterteiltes Innenkühlsystem auf Der erste Teil umfasst einen Vorderkantenkanal 12, der eine radial einwärts verlaufende Kühlluftströmung aus einem Verteiler 22 erhält, der die ringförmige Statorstufe umschließt, und sie in eine innere Sammelkammer leitet, und einen zweiten Mehrfachdurchgangs-Teil, der Luft aus der Sammelkammer 26 erhält und sie in den Gasstrom ausleitet.
Kühlluft im Verteiler 22 wird aus einer Anzapfung (nicht dargestellt) im Hochdruckverdichterabschnitt des Triebwerks abgeleitet und wird zuerst zur Kühlung der Leitschaufelvorderkantenkanäle 20 wegen deren relativ hoher Temperatur benutzt. Dieser erste Durchgang der Kühlluft wird vom Verteiler 22 radial einwärts durch das Triebwerksgehäuse 10 in die radial äußeren Enden jedes Leitschaufelkanals 20 geleitet. Die Kühlluft gelangt abwärts durch den Vorderkantenkanal 20 in radial einwärts verlaufender Richtung und tritt durch eine Vordrall-Austrittsdüse 24, die in der inneren Düsenleitschaufelplattform 16 gebildet ist, in eine innere Sammelkammer 26 angrenzend an die rückseitige Stirnfläche der Hochdruckturbinenscheibe 4 aus. Die Vordralldüsen 24 sind so abgewinkelt, daß sie Luft auf die rückwärtige Stirnfläche der Scheibe 4 mit einer umfangsmäßigen Drallkomponente entsprechend der Scheibendrehung leiten, um mindestens teilweise die Energiezufuhr zu der Luft zu minimieren.
Die Sammelkammer 26 dient als Quelle interner Luft für mehrere Funktionen. Grob die Hälfte der Luftströmung durch die Sammelkammer 26 wird in den zweiten Teil des Innenkühlsystems der Düsenleitschaufeln 12 gezogen. Die Luft wird durch eine Reihe gerade, d. h. radialer Eintrittsöffnungen 28, die in der Unterseite der inneren Plattformen 16 gebildet sind, in einen inneren Kanal 30 im Inneren der Düsenleitschaufel hineingezogen.
Relativ zu der Strömungsrichtung im Gaskanal liegt dieser Kanal 30 in stromabwärtiger Richtung hinter dem Vorderkantenkanal 20 und ist davon durch eine Trennwand 29 auf seiner stromaufwärtigen Seite getrennt. Der Kanal 30 führt stromabwärts in einen Hinterkantenhohlraum 39, der in Strömungsverbindung mit Austrittsöffnungen 32, 34 zur Hinterkante 36 der Schaufel hin steht, die in den Gasstrom ausmünden. Der Kanal 30 ist auf seiner stromabwärtigen Seite durch eine radial auswärts verlaufende innere Wand 38 definiert, die in Umfangsrichtung zwischen den Seitenwänden des inneren Hohlraums und radial teilweise von der inneren Plattform 16 zur äußeren Plattform 18 hin weg verläuft. Über dem radial äußeren Ende der inneren Wand 38 ist daher eine Drossel gebildet, durch welche Innenluft in den Hinterkantenhohlraum 39 gelangt. Eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen längsverlaufenden Rippen 40, 42 verläuft zwischen der stromabwärtigen Seite der radialen Wand 38 und der Hinterkante des Hohlraums 39. Die erste, radial äußere Rippe 40 nahe bei oder an der Spitze der Wand 38 dient als Luftströmungsdosierorgan und teilt die Hinterkantenaustrittsöffnungen in eine äußere Gruppe 32 und eine radial innere Gruppe 34. Weitere Rippen 42, die im wesentlichen parallel zur Rippe 40 verlaufen, verlaufen in Längsrichtung von der inneren Wand 38 zur stromabwärtigen Begrenzung des inneren Hohlraums 39 hin.
Temperatur- und Druckbedingungen sind in dem ringförmigen Gaskanal nicht gleichförmig. Es hat sich gezeigt, daß, allgemein gesprochen, die Gaskanaltemperaturen zu den radial äußeren Bereichen hin am höchsten sind, aber daß der statische Druck des Gasstroms zu den radial inneren Bereichen hin am niedrigsten ist. Als Resultat davon sind die Austrittsöffnungen 32, 34 dementsprechend am besten bemessen, um zu berücksichtigen, wo zusätzliche Kühlluft erforderlich ist, und wo die Strömung am besten gedrosselt wird, um eine ungünstige Strömungsvorspannung zu vermeiden. Die beiden Gruppen von Austrittsöffnungen 32, 34 werden daher intern durch ein Verteilungssystem unter Verwendung der inneren Rippen 40, 42 mit Kühlluft gespeist, das die unterschiedlichen Gaskanaldrücke- und Temperaturen berücksichtigt. Die erste radial äußere Rippe 40 verläuft von der Wand 38 zur Hinterkante 36 und teilt die Öffnungen unterschiedlicher Größen und funktioniert daher als Strömungsdosierrippe zur Begrenzung der Strömung zu den radial inneren Öffnungen 34 im Bereich der niedrigsten Gaskanaldrücke. Die Strömung durch die größeren Öffnungen 32 wird durch den Gesamtquerschnitt der Öffnungen und den Druckabfall zwi schen dem Hohlraum 39 stromauf der Rippe 40 und dem Gasstrom in der Nähe des radial äußeren Bereichs des Gaskanals bestimmt. Die Strömung durch die kleineren Öffnungen 34 wird durch den Gesamtquerschnitt der Öffnungen und den Druckabfall zwischen dem Hohlraum 39 stromab der Rippe 40 und dem Gasstrom in der Nähe des radial inneren Bereichs des Gaskanals bestimmt.
Die weiteren Rippen 42 werden bei der dargestellten Ausführungsform zur Kühlungsverstärkung durch Steigerung der Oberfläche des inneren Hohlraums benutzt, die mit der Kühlströmung in Berührung steht, wodurch die Wärmeabsorption im Bereich der niedrigeren Kühlströmung verstärkt wird. Der Dosiereffekt der Rippe 40 und die Gesamtquerschnitte der Kühlströmungsaustrittsöffnungen 32, 34 sind so abgeglichen, daß der benötigte Kühleffekt erzeugt wird. Die weiteren Kühlrippen 42 können als sekundäre Dosierfunktion zur Verteilung der Austrittsströmung zwischen den verbleibenden Austrittsöffnungen dienen.
Bei der dargestellten Ausführungsform, und wie beschrieben, hat der innere Kanal 30 mehrere interne Kühlverstärkungsrippen 37, die, wie zuvor erwähnt, die innere Oberfläche des der Kühlströmung ausgesetzten Kühlkanals vergrößern. Wie dargestellt, sind diese Rippen 37 als innere Ringe ausgebildet, aber andere Konfigurationen können auch gewählt werden, um einer bestimmten Schaufel und Betriebsumgebung angepasst zu werden. In gleicher Weise können bei anderen Ausführungsformen die Größe, Form, Anzahl usw. von Kühlaustrittsöffnungen und Strömungsverteilungs-Dosierrippen nach Bedarf gewählt werden. Außerdem, obwohl die Strömungsdrosselmittel bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Dosierrippe aufweisen, können andere Möglichkeiten der Strömungsdosierung eingesetzt werden, beispielsweise kann ein durch mindestens eine Öffnung durchbrochener Flansch benutzt werden, wobei die Größe der Öffnung oder Öffnungen den erforderlichen Druckabfall und maximalen Strömungsdurchsatz erzeugen.

Claims

Internes Gasturbinentriebwerks-Luftsystem mit einer Mehrfachdurchgangs-Kühlanordnung für Schaufelblattteile (12) in einer nicht umlaufenden Turbinenstufe, die jeweils mit einem ersten Innenkühlkanal (20) und einem zweiten Innenkühlkanal (30) und einer Anzahl von Austrittsöffnungen (30, 34) versehen sind, von denen mindestens eine im Betrieb eine Kühlströmung aus dem zweiten Kühlkanal (30) über Strömungsdrosselmittel (40, 42) erhalten, die so konfiguriert sind, daß sie die Strömung durch die Öffnung (32, 34) relativ zu mindestens einer weiteren der Austrittsöffnungen (32, 34) drosseln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlströmung aus einer Kühlströmungsquelle durch den ersten Kanal(20) in jedem der Schaufelblattteile in eine Sammelkammer (26) geleitet wird, die sich neben einer Scheibe (4) einer benachbarten umlaufenden Stufe (2) befindet, und daß der zweite innere Kühlkanal (30) mit einer Eintrittsöffnung (28) ausgestattet ist, die mit der Sammelkammer (26) in Verbindung steht.
Internes Gasturbinentriebwerks-Luftsystem nach Anspruch 1, wobei die Austrittsöffnungen (32, 34) in der Hinterkante (36) des Schaufelblatts (12) angeordnet sind.
Internes Gasturbinentriebwerks-Luftsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungsdrosselmittel eine innere Drosselöffnung (40, 42) aufweisen.
Internes Gastrurbinentriebwerks-Luftsystem nach Anspruch 3, wobei die innere Drosselöffnung (40, 42) in einem Strömungskanal (30) mittels eines Drosselelements (40, 42) in enger Nähe zu einer angrenzenden Kanalwand (38) gebildet ist.
Internes Gasturbinentriebwerks-Luftsystem nach Anspruch 4, wobei das Drosselelement eine Kühlverstärkungsrippe (37) aufweist, die durch das Innere des Kühlkanals (30) ragt.
Internes Gasturbinentriebwerks-Luftsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Teil eines Mehrfachdurchgangs-Innenkühlsystems für eine Düsenleitschaufel (12) umfasst.