DE69935108T2 - Gekühltes Turbinengehäuse - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere eine Kühlung in diesen.
  • In einem Turbofan-Gasturbinentriebwerk, wird Luft in einem Verdichter verdichtet und mit Treibstoff gemischt und zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase in einer Brennkammer gezündet, die stromab durch verschiedene Turbinenstufen strömen, die den Gasen Energie entnehmen. Die Turbinenstufen enthalten eine Reihe von Düsenstatorleitschaufeln, die die Verbrennungsgase umlenken und in eine entsprechende Reihe von Turbinenrotorlaufschaufeln hinein beschleunigen, die ihnen Energie entziehen, um die Stützscheibe zu rotieren. Eine Hochdruckturbine (HPT, High Pressure Turbine) empfängt zuerst Verbrennungsgase von der Brennkammer und treibt den Verdichter an. Und eine Niederdruckturbine (LPT, Low Pressure Turbine) ist stromab von der HPT angeordnet und entnimmt zusätzliche Energie, um den Bläser stromauf von dem Verdichter anzutreiben, der den Antriebsschub liefert, um das Flugzeug im Flug anzutreiben.
  • Da die Turbinenkomponenten einer Aufheizung durch die heißen Verbrennungsgase ausgesetzt sind, muss deren Temperatur im Betrieb begrenzt werden, um eine brauchbare Lebensdauer zu erhalten. Außerdem ist eine Temperaturbeeinflussung oder -steuerung der Turbinenkomponenten ebenfalls notwendig, um zur Maximierung der thermodynamischen Effizienz des Triebwerks Spielräume zwischen den Stator- und den Rotorkomponenten zu verkleinern.
  • Die verschiedenen Komponenten der HPT werden typischerweise unter Verwendung eines Teils der aus dem Verdichter abgezapften Luft gekühlt, die durch dedizierte, speziell hierfür konstruierte Kreisläufe geleitet wird. Da die LPT stromab von der HPT angeordnet ist, erfordert sie typischerweise keine Zapfluftkühlung.
  • Eine Gondel umgibt jedoch das Haupttriebwerk von dem Verdichter bis zu der LPT und enthält typischerweise an ihrem vorderen Ende einen Einlass zur Aufnahme eines kleinen Teils der Bläserluft zur Spülung des zwischen der Gondel und den verschiedenen Gehäusen des Haupttriebwerks definierten Zwischenraums. Ein Spülluftauslass ist in der Nähe des hinteren Endes der Gondel angeordnet, um die Spülluft bei niedriger Geschwindigkeit durch den Zwischenraum zu treiben und irgendwelche Treibstoffdämpfe zu entfernen als auch um hierbei ein geringes Maß an Kühlung zu erzielen.
  • Ein typisches LPT-Gehäuse ist deshalb an seiner Außenfläche der Spülluft ausgesetzt und wird nicht anderweitig gekühlt. Das Turbinengehäuse trägt verschiedene Reihen von Düsenleitschaufeln sowie auch Turbinenmäntel, die alle beide in geeigneten Abständen oder mit geeigneten Spalten zu den mit diesen zusammen arbeitenden Rotorkomponenten gehalten werden. Wenn sich die Rotor- und Statorkomponenten während des Betriebs ausdehnen und zusammenziehen, weiten sich die Abstände oder Spielräume auf und schrumpfen, wobei sie so klein wie möglich gehalten werden sollten, ohne unerwünschtes Anstreifen zwischen den Stator- und den Rotorkomponenten wahrzunehmen.
  • Bei einigen Bauarten werden Turbinengehäuse extern gekühlt. Z.B. wird eine aktive Spielraumbeeinflussung oder -steuerung verwendet, um selektiv ein Turbinengehäuse zu kühlen, um wiederum die Spielräume zur Verbesserung der Effizienz zu beeinflussen. Diese Systeme rufen jedoch eine zusätzliche Komplexität und weitere Kosten für das Triebwerk hervor.
  • US 4,841,726 beschreibt eine Gasturbinendüsenantriebseinheit in einer Mehrwellen-Zweitstrombauweise.
  • Demgemäß ist es erwünscht, eine verbesserte Kühlung von Turbinengehäusen und passive Spalt- oder Spielraumbeeinflussung zu schaffen.
  • Die Erfindung sieht ein Turbinengehäuse vor, welches eine Reihe von Düsenleitschaufeln trägt, durch die heiße Verbrennungsgase strömen können. Ein Leitblech umgibt das Gehäuse, um einen Kühlkanal zu definieren. Eine Gondel umgibt das Turbinengehäuse, um einen Zwischenraum oder Schacht mit einem Einlass zur Aufnahme einer Zwischenraumluft und mit einem Auslass zur Abgabe der Luft zu definieren. Der Kühlkanal enthält einen Einlass, der die Zwischenraumluft aufnimmt, um sie entlang des Turbinengehäuses zu seiner selektiven Kühlung strömen zu lassen.
  • Die Erfindung wird nun detaillierter anhand eines Beispiels Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben:
  • 1 zeigt eine axiale, teilweise im Querschnitt veranschaulichte Ansicht eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks, der eine Turbinengehäusekühlung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • 2 zeigt eine vergrößerte, teilweise im Querschnitt veranschaulichte Ansicht eines Abschnitts der Niederdruckturbine, die in 1 veranschaulicht ist, einschließlich eines Leitblechs zu ihrer selektiven Kühlung..
  • 3 eine stärker vergrößerte, teilweise im Querschnitt veranschaulichte Ansicht eines Abschnitts des Leitblechs und des Turbinengehäuses, die in 2 innerhalb des gestrichelt dargestellten Kreises mit der Bezeichnung 3 veranschaulicht sind.
  • In 3 ist ein beispielhaftes Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10 zum Antreiben eines Flugzeugs während des Fluges veranschaulicht. Das Triebwerk ist achsensymmetrisch um eine längs ausgerichtete, axiale Mittellinienachse 12 angeordnet und enthält in serieller Strömungsverbindung einen Bläser 14, einen mehrstufigen Axialverdichter 16, eine Brennkammer 18, eine Hochdruckturbine (HPT) 20 und eine Niederdruckturbine (LPT) 22. Im Betrieb strömt Luft 24 durch den Bläser und in den Verdichter hinein, wo sie stufenweise unter Druck gesetzt und zu der Brennkammer geleitet wird, worin sie zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase 26 mit einem Treibstoff vermischt und gezündet wird. Die Verbrennungsgase strömen wiederum durch die HPT 20 und die LPT 22, die den Gasen Energie entziehen, um jeweils den Verdichter und den Bläser anzutreiben.
  • Die LPT 22 ist detaillierter in 2 veranschaulicht und enthält ein ringförmiges Turbinengehäuse 28, das mehrere Reihen von Düsenstatorleitschaufeln 30 aufweist, die zur Führung der Verbrennungsgase an ihm fest montiert sind. Die LPT enthält auch mehrere Reihen von Turbinenrotorschaufeln 32, die sich von entsprechenden Rotorscheiben 34 radial nach außen erstrecken. Die Leitschaufeln 30 sind stromauf von den jeweiligen einzelnen Laufschaufelreihen angeordnet, um die Verbrennungsgase umzulenken und sie wiederum durch die verschiedenen Laufschaufelreihen zu beschleunigen.
  • Das radial innere Ende einer jeden Leitschaufelreihe trägt eine radial innere Dichtung 36, die typischerweise in Form einer Honigwabe ausgebildet ist und die mit gegenüberliegenden Dichtungszähnen 38, die sich radial nach außen von den benachbarten Rotorscheiben weg erstreckenden, zusammenarbeitet, um in den zwischen diesen befindlichen radialen Spielräumen oder Spalten entsprechende Zwischenstufenabdichtungen zu erzielen.
  • Entsprechend ist ein radial äußerer Mantel 40 über jeweils einzelnen Laufschaufelreihen an dem Turbinengehäuse 28 fest angebracht, um mit ihren Schaufelspitzen Spielräume oder Spalten zu definieren. Im Betrieb ist es wünschenswert, den Innendichtungspielraum und den Spitzenspielraum so klein wie möglich zu halten, um eine Leckage der Verbrennungsgase durch sie hindurch zu reduzieren, die ansonsten die Effizienz des Triebwerks verringern würde. Die Verbrennungsgase erwärmen jedoch auch die verschiedenen Komponenten der Turbine auf verschiedene Temperaturen und rufen unterschiedliche Wärmeausdehnungen und -kontraktionen hervor, die die Größe der Spitzen- und der Innendichtungs-Spielräume entsprechend verändern. Es ist deshalb erwünscht, das Turbinengehäuse 28 zu kühlen, um eine passive Spielraumbeeinflussung der dort befindenden Spielräume zu bewirken.
  • Erneut bezugnehmend auf 1 enthält das Triebwerk eine ringförmige Gondel 42, die das Haupttriebwerk umgibt, das den Verdichter, die Brennkammer und die Hochdruckturbine enthält, und die auch die LPT umgibt, um ein kreisringförmiges Plenum oder einen Zwischenraum 44 um diese herum zu definieren. Der Zwischenraum enthält einen Einlass 46 an seinem axial vorderen Ende in Form einer oder mehrerer durch die Gondel führender Öffnungen, die mit dem Bläser 14 über seinen stromabwärts befindlichen Bläserkanal in Strömungsverbindung stehen, um von dort einen Teil der durch den Bläser unter Druck gesetzten Luft zur Verwendung als Zwischenraum- oder Spülluft, die auch mit 24 bezeichnet ist, zu empfangen. Der Zwischenraum enthält ferner zur Abgabe der Zwischenraumluft von dem Triebwerk an seinem axial hinteren Ende einen Auslass 48 in Form eines im Wesentlichen kontinuierlichen, umlaufenden Schlitzes oder einer Reihe von Öffnungen.
  • Ein ringförmiges Leitblech umgibt das Gehäuse 28 in Umfangsrichtung und ist radial außen im Abstand zu diesem angeordnet, um zwischen ihnen einen ringförmigen Strömungs- oder Kühlkanal 52 zu definieren.
  • Wie detaillierter in 2 dargestellt, enthält der Kühlkanal 52 zur Aufnahme der Zwischenraumluft von dem Zwischenraum an seinem axial vorderen Ende einen ringförmigen Einlass 54 und zur Abgabe der Zwischenraumluft durch den Zwischenraumauslass 48 einen ringförmigen Auslass 56 an seinem axial gegenüberliegenden oder hinteren Ende.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wirkt das Leitblech 50 mit dem Turbinengehäuse 28 zu dessen selektiven Kühlung zusammen, die z.B. den Spielraum an den inneren Dichtungen 36 passiv beeinflusst. Gemäß einem verbesserten Verfahren einer passiven Spielraumbeeinflussung oder -steuerung sind die Düsenleitschaufeln 30 mit dem Gehäuse 28 an seiner Innenfläche fest verbunden, um die inneren Dichtungen 36 radial über den zugehörigen Zähnen entsprechenden Verzahnung 38 der Rotorscheiben 34 aufzuhängen. Ein Teil der Bläserluft wird von dem Bläser 14 zu dem das Gehäuse 28 umgebenden Zwischenraum 44 abgezweigt. Die durch den Zwischenraum 44 geführte Zwischenraumluft wird durch das Leitblech 50 begrenzt und durch den Kühlkanal 52 beschleunigt, so dass sie axial nach hinten über das Gehäuse 28 strömt, um es dadurch selektiv zu kühlen.
  • Die Zwischenraumluft von dem Kühlkanal 52 wird von dem stromab liegenden Ende des Zwischenraumes durch den Kanalauslass 56 und wiederum durch den Zwischenraumauslass 48 ausgegeben. Auf diese Weise spült die anfänglich mit geringer Geschwindigkeit durch den Zwischenraum 44 geführte Zwischenraumluft nicht nur den Zwischenraum von sämtlichen Treibstoffdämpfen, sondern wird dann auch zur selektiven Kühlung des Gasturbinengehäuses 28 verwendet, um seine Lebensdauer zu verlängern als auch um die Spielraumbeeinflussung und dementsprechend den Wirkungsgrad des Triebwerks zu verbessern.
  • Wie sowohl in 1 als auch in 2 gezeigt, verbindet eine ringförmige Dichtung 58, z.B. in Form einer Metallblechtrennwand, das Leitblech starr mit der Gondel 42 und verhindert, dass die Zwischenraumluft auf dem Weg zu dem Zwischenraumauslass 48 den Kühlkanal 52 umgeht. Die Dichtung 58 wirkt mit dem Leitblech 50 zusammen, um die Zwischenraumluft zu zwingen, zur Kühlung des Turbinengehäuses vorrangig nur durch den Kühlkanal 52 zu strömen.
  • Das Leitblech 50 ist radial innerhalb der Gondel im Abstand zu dieser angeordnet, so dass zur Beschleunigung der Zwischenraumluft durch den Kühlkanal, um eine erzwungene Konvektionskühlung der radial äußern Oberfläche des Turbinengehäuses zu erwirken, der Kühlkanal 52 im Wesentlichen eine Verengung mit minimaler Strömungsfläche definiert, verglichen mit der größeren Strömungsfläche des Zwischenraumes 44 stromauf davon.
  • Darüber hinaus erstreckt sich das Leitblech 50 vorzugsweise vollständig in Umfangsrichtung um das Gehäuse 28 herum, um das Gehäuse im Wesentlichen gleichmäßig in Umfangsrichtung zu kühlen, um Temperaturdifferenzen über den Umfang des Gehäuses hinweg zu reduzieren oder zu beseitigen, die wiederum ansonsten den Spielraum an der inneren Dichtung schwanken lassen würden.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung, wie in 2 veranschaulicht, enthält das Gehäuse 28 mehrere axial im Abstand zueinander angeordnete Turbulatoren oder Verwirbelungselemente 60, die sich radial nach außen von dem und in Umfangsrichtung um das Turbinengehäuse 28 herum erstrecken und mit diesem integral ausgebildet sind, um selektiv die Konvektionskühlung des Gehäuses an diesen ausgewählten Stellen zu erhöhen.
  • Die Verwirbelungselemente 60 sind detaillierter in 3 dargestellt. Sie sind zur passiven Beeinflussung des Spielraums an den inneren Dichtungen 36 relativ zu dem ortsfesten Träger der Düsenleitschaufeln 30 speziell positioniert. Das Turbinengehäuse 28 enthält mehrere ringförmige Stützhaken 62, die sich radial nach innen von dem Gehäuse aus in örtlich vergrößerten Teilen von diesem erstrecken, um sowohl die Düsenleitschaufeln 30 als auch die Laufschaufelmäntel 40 auf herkömmliche Weise zu stützen bzw. zu tragen. Die einzelnen Stützhaken 62 stützen entsprechende Montagehaken der radial äußeren Bänder der Düsenleitschaufeln direkt unterhalb der Stützhaken sowie tragen die Außenmäntel 40, die axial zwischen benachbarten Leitschaufelreihen und entsprechenden Stützhaken montiert sind.
  • Die einzelnen Verwirbelungselemente 60 an der Außenseite des Turbinengehäuses 28 sind vorzugsweise mit jeweils einzelnen Stützhaken 62 ausgerichtet, um sowohl eine erzwungene Konvektionskühlung des Turbinengehäuses durch örtlich begrenzte Beschleunigung zu verbessern als auch die Strömung der Zwischenraumluft, die durch den Kühlkanal 52 geführt wird, zu unterbrechen sowie auch um als wärmeableitende Rippen zu funktionieren, um Wärme von den darunter liegenden Haken 62 abzuführen.
  • Die derart ausgerichteten Verwirbelungselemente 60 bewirken deshalb eine lokale Erhöhung der durch Wärmeübertragung erzielten Kühleffektivität der Zwischenraumluft außerhalb der entsprechenden Stützhaken 62, was wiederum die thermische Ausdehnung und Kontraktion des Turbinengehäuses 28 örtlich an jeder der getragenen Leitschaufelreihen beeinflusst, was wiederum den Spielraum zwischen der inneren Dichtung 36 und den Rotordichtungszähnen 38 beeinflusst.
  • Zusätzlich wird die radiale Lage der Außenmäntel 40, die auch durch benachbarte Haken 62 getragen werden, um wiederum den Laufschaufelspitzenspielraum zu beeinflussen.
  • Die Zwischenraumluft kann deshalb für einen weiteren Vorteil verwendet werden, nämlich nicht nur um einfach sämtliche Treibstoffdämpfe aus dem Zwischenraum zu spülen, sondern auch um eine erzwungene Konvektionskühlung des Turbinengehäuses 28 herbeizuführen, wenn die Zwischenraumluft in den Kühlkanal 52 hinein beschleunigt wird. Die Verwirbelungselemente 60 sind strategisch an den axialen Orten positioniert, die mit den darunter liegenden Stützhaken 62 übereinstimmen, um Wärme effektiver von dort abzuführen und die thermische Ausdehnung und Kontraktion das Zusammenziehen des Turbinengehäuses zu beeinflussen und wiederum um an den inneren Dichtungen 36 sowie auch an den Außenmänteln 40 eine passive Spielraumbeeinflussung zu erzielen. Wie in 2 gezeigt, sind die Verwirbelungselemente 60 vorzugsweise nur an einzelnen zugehörigen Stützhaken 62 und nur an diesen Stützhaken, die der größten Temperatur ausgesetzt sind und eine stärkere Kühlung erfordern, wie z.B. in den ersten drei Stufen einer Niederdruckturbine, angeordnet.
  • Die Verwirbelungselemente 60 können hinsichtlich der radialen Höhe und axialen Breite so bemessen sein, dass ihr Einfluss auf verstärkte Konvektionskühlung maximiert wird und dass sie als Rippen dienen, um den entsprechenden Haken 62 Wärme zu entziehen. Da die Haken 62 sich in Umfangsrichtung um das Gehäuse 28 herum erstrecken, erstrecken sich vorzugsweise auch die Verwirbelungselemente 60 in Form vollständiger Ringe in Umfangsrichtung um das Gehäuse herum.
  • In alternativen Ausführungsformen können die Vewirbelungselemente in Umfangsrichtung segmentiert sein und können in einer oder mehreren axialen Gruppen in der Nähe der entsprechenden Stützhaken 62 angeordnet sein. Die Verwirbelungselemente können sich gänzlich in Umfangsrichtung erstrecken und senkrecht zu der axialen Richtung der Luftströmung durch den Kühlkanal 52 ausgerichtet sein, oder die Verwirbelungselemente können segmentiert und tangential oder in Umfangsrichtung parallel zueinander oder in Chevron- bzw. zickzackförmigen oder V-förmigen Konfigurationen angeordnet sein.
  • Die Verwirbelungselemente 60 können durch gewöhnliches Gießen oder Schmieden in einem einheitlichen Turbinengehäuse 28 gemeinsam mit den darunter liegenden Stützhaken 62 ausgebildet sein. Verglichen mit den Stützhaken 62 können sie mit einer relativen thermisch wirksamen Masse bemessen sein, um die Wärmeableitung von diesen zu maximieren.
  • Eine Kühlung des Turbinengehäuses 28 erfolgt deshalb ausgehend von der verfügbaren Zwischenraumluft, um zusätzliche Vorteile, die früher in einem Triebwerk nicht erzielbar waren, zu erhalten. Es wird eine verbesserte Turbinengehäusekühlung gemeinsam mit einer passiven Spielraumbeeinflussung von sowohl der Innendichtung 36 als auch den Außenmänteln 40, die fest an dem Turbinengehäuse montiert sind, erreicht.

Claims (10)

  1. Turbinenkühlvorrichtung, aufweisend: ein Turbinengehäuse (28); eine Reihe von Düsenleitschaufeln (30), die an dem Gehäuse zur Führung von Verbrennungsgasen fest montiert sind; eine das Gehäuse umgebende und radial außerhalb von ihm im Abstand angeordnete Gondel (42), um einen Zwischenraum (44) um es herum zu definieren; wobei der Zwischenraum einen Zwischenraumeislass (46) an einem axial vorderen Ende zur Aufnahme von Zwischenraumluft und einen Zwischenraumauslass (48) an einem axial hinteren Ende zur Ausgabe der Zwischenraumluft enthält; ein das Gehäuse (28) umgebendes und radial außerhalb von ihm in Abstand angeordnetes Leitblech (50), um einen Kühlkanal (52) dazwischen zum selektiven Kühlen des Gehäuses zu definieren; wobei der Kühlkanal einen Kühlkanaleinlass (54) an einem axial vorderen Ende zur Aufnahme der Zwischenraumluft aus dem Zwischenraum und einen Kühlkanalauslass (56) an einem axial hinteren Ende zur Ausgabe der Zwischenraumluft an den Zwischenraumauslass aufweist; gekennzeichnet durch: mehrere axial in Abstand angeordnete Verwirbelungselemente (60), die sich radial nach außen von dem und in Umfangsrichtung um das Gehäuse (28) erstrecken.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine Dichtung (58) aufweist, die sich zwischen der Gondel (42) und dem Leitblech (50) erstreckt, um die Zwischenraumluft zu zwingen, durch den Kühlkanal (52) zu strömen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Leitblech (50) von der Gondel (42) radial innen in Abstand angeordnet ist, um die Zwischenraumluft durch den Kühlkanal (52) zu beschleunigen.
  4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich das Leitblech (50) in Umfangsrichtung um das Gehäuse (28) herum erstreckt, um das Gehäuse (28) in Umfangsrichtung zu kühlen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner mehrere sich radial von dem Gehäuse (28) nach innen erstreckende Stützhaken (62) aufweist, wobei die Verwirbelungselemente (60) zu entsprechenden Haken (62) ausgerichtet sind, um ihnen Wärme zu entziehen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner aufweisend: mehrere Turbinenlaufschaufeln (32), die in Reihen innerhalb des Gehäuses (28) angeordnet sind; mehrere stromauf von den entsprechenden Laufschaufelreihen angeordnete und von den Haken (62) gestützte Turbinenleitschaufeln (30); und mehrere Mäntel (40), die radial über entsprechenden Laufschaufelreihen in Abstand angeordnet und von den Haken (62) zwischen den Leitschaufeln getragen sind.
  7. Verfahren zum Beeinflussen eines Spielraums zwischen Düsenleitschaufeln, die fest auf einem Turbinengehäuse (28) zum Führen von Verbrennungsgasen montiert sind, und einen radial darunter befindlichen Rotor, mit den Schritten: Umleiten eines Luftanteils aus einem Bläser (14) des Triebwerks zu einem stromauf liegenden Ende eines das Gehäuse (28) umgebenden Zwischenraums (44); Ausgeben der Zwischenraumluft aus einem stromab liegenden Ende des Zwischenraums (44), gekennzeichnet durch: Beschleunigen von Luft aus dem Zwischenraum (44), so dass sie axial nach hinten über das Gehäuse (28) strömt, das mehrere axial in Abstand angeordnete Verwirbelungselemente (60) enthält, die sich radial nach außen von dem und in Umfangsrichtung um das Gehäuse (28) herum erstrecken, um dadurch selektiv das Gehäuse konvektiv zu kühlen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt, die Zwischenraumluft zu zwingen, durch den Kühlkanal (52) strömen, um dadurch selektiv das Gehäuse (28) zu kühlen.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt, die Zwischenraumluft um das Gehäuse (28) herum zu verteilen, um das Gehäuse (28) gleichmäßig um dieses herum zu kühlen.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Gehäuse (28) mehrere integrierte Haken (62) enthält, die von dort aus Turbinenleitschaufeln (30) und Laufschaufelmäntel (40) tragen, und ferner mit dem Schritt, lokal eine Wärmeübertragungskühlung der Zwischenraumluft von den Haken (62) radial nach außen zu erhöhen, indem die Verwirbelungselemente zu den integrierten Haken ausgerichtet werden.
DE69935108T 1998-11-24 1999-11-24 Gekühltes Turbinengehäuse Expired - Lifetime DE69935108T2 (de)

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