EP0692066A1 - Gasturbinen-triebwerk mit lagerkammern und sperrluftkammern - Google Patents

Gasturbinen-triebwerk mit lagerkammern und sperrluftkammern

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EP0692066A1
EP0692066A1 EP94911189A EP94911189A EP0692066A1 EP 0692066 A1 EP0692066 A1 EP 0692066A1 EP 94911189 A EP94911189 A EP 94911189A EP 94911189 A EP94911189 A EP 94911189A EP 0692066 A1 EP0692066 A1 EP 0692066A1
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compressor
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pressure
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/18—Lubricating arrangements
    • F01D25/183—Sealing means

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine engine, in particular a flight gas turbine, with a compressor-side bearing chamber and a turbine-side bearing chamber, with the sealing air chambers surrounding the oil-supplied bearing chambers, which are provided by a low-pressure compressor or fan and a high-pressure compressor a sealing air stream are supplied, which at least partially reaches the associated storage chamber via labyrinth seals and is discharged from there via an oil separator, especially in the area.
  • a gas turbine engine in particular a flight gas turbine, with a compressor-side bearing chamber and a turbine-side bearing chamber, with the sealing air chambers surrounding the oil-supplied bearing chambers, which are provided by a low-pressure compressor or fan and a high-pressure compressor a sealing air stream are supplied, which at least partially reaches the associated storage chamber via labyrinth seals and is discharged from there via an oil separator, especially in the area.
  • the seals provided in the bearing chambers for the shafts of a gas turbine engine between the wall of the bearing chamber and the shaft passing through them are necessary in order to prevent the escape of lubricating oil or an oil mist into the compressor or into the turbine.
  • This seal must be made contact-free, so that labyrinth seals are usually used, but which are additionally flowed through by a sealing air flow in order to achieve an optimal sealing effect.
  • This sealing air flow comes from a sealing air chamber surrounding the storage chamber via the labyrinth seals into the storage chamber and is preferably discharged from there into the environment via an oil separator, but could also be used in a different manner.
  • the pressure in the sealing air chamber must be a certain amount above that after the storage chamber. It is therefore customary to supply the sealing air chambers with a sealing air flow from the low-pressure compressor, which can also be designed as a fan, or from the high-pressure compressor.
  • the low-pressure compressor which can also be designed as a fan, or from the high-pressure compressor.
  • operating points can occur in which the pressure provided by the low-pressure compressor or fan is insufficient, a sealing air flow overcoming the flow resistances, for example in the labyrinth seals via the sealing air chamber and the storage chamber and continue to pump into the environment via an oil separator.
  • GB-B-702 931 therefore proposes to branch off the sealing air flow from the high-pressure compressor in these cases.
  • the sealing air chamber on the compressor side is supplied with sealing air by the low pressure compressor or fan and the sealing air chamber on the turbine side is supplied with sealing air by the high pressure compressor, and that the sealing air flow emerging from the bearing chamber on the compressor side is ejected in an ejector from the bearing chamber on the turbine side emerging sealing air flow is added.
  • the oil separator can be provided downstream of the ejector.
  • the compressor-side bearing chamber 1 is surrounded by a compressor-side sealing air chamber 11 and the turbine-side bearing chamber 2 is surrounded by a turbine-side sealing air chamber 12.
  • Non-contact labyrinth seals 13 are provided in the area of the passages through the walls 5, 6 through the walls of the storage chambers 1, 2 or sealing air chambers 3, 4. These labyrinth seals 13 are intended to prevent the lubricating oil located in the bearing chambers from reaching the compressor chamber or the turbine chamber.
  • a sealing air flow is directed from the respective sealing air chamber 11, 12 via the associated bearing chamber 1, 2 into the environment to support this sealing effect - this is denoted by the reference number 14.
  • This ejector 18 can also be referred to as a suction jet pump and is connected to the discharge line 16 in such a way that in this ejector 18 the sealing air flow supplied via the discharge line 16 is accelerated such that the sealing air flow coming into the ejector via the discharge line 15 from the compressor-side storage chamber 1 is suctioned off.
  • the pressure level, which is still relatively high at all operating points, of the sealing air flow discharged via the discharge line 16 of the turbine-side bearing chamber 2 is thus used to convey the sealing air flow through the compressor-side bearing chamber 1.
  • the pressure level of the sealing air flow carried in the discharge line 16 is always sufficiently high, since the sealing air flow for the turbine-side bearing chamber is always branched off from the high-pressure compressor via the supply line 17.

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Abstract

Die verdichterseitige Lagerkammer (1) insbesondere einer Flug-Gasturbine wird stets von dem vom Fan (10) oder einem Niederdruck-Verdichter (7) geförderten Sperrluftstrom durchströmt, die turbinenseitige Lagerkammer (2) wird vom Hochdruck-Verdichter mit Sperrluft versorgt. Der aus der turbinenseitigen Lagerkammer abgeführte Sperrluftstrom gelangt in eine Saugstrahlpumpe (18), an die auch die verdichterseitige Lagerkammer angeschlossen ist, so dass bei nicht ausreichendem Druckpotential deren Sperrluftstrom durch die Saugstrahlpumpe abgesaugt wird.

Description

Gasturbinen-Triebwerk mit Lagerkammern und Sperrluftkam¬ mern
Die Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Triebwerk, insbe¬ sondere eine Flug-Gasturbine, mit einer verdichterseiti- gen Lagerkammer und einer turbinenseitigen Lagerkammer, mit die ölversorgten Lagerkammern umgebenden Sperrluft¬ kammern, die von einem Niederdruck-Verdichter oder Fan und einem Hochdruck-Verdichter mit einem Sperrluftstrom versorgt werden, der über Labyrinth-Dichtungen zumindest teilweise in die zugeordnete Lagerkammer gelangt und von dieser aus über einen Ölabscheider insbesondere in dir Umgebung abgeführt wird. Zum Stand der Technik wird bei- spielshalber auf die GB-B- 702 931 verwiesen.
Die in den Lagerkammern für die Wellen eines Gasturbinen- Triebwerkes vorgesehenen Dichtungen zwischen der Lager¬ kammerwand sowie der durch diese hindurchtretenden Welle sind erforderlich, um das Austreten von Schmieröl bzw. eines Ölnebels in den Verdichter oder in die Turbine zu verhindern. Dabei muß diese Dichtung berührungsfrei aus¬ gebildet sein, so daß üblicherweise Labyrinth-Dichtungen zum Einsatz kommen, die jedoch zur Erzielung einer opti- malen Dichtwirkung zusätzlich von einem Sperrluftstrom durchströmt werden. Dieser Sperrluftstrom gelangt von einer die Lagerkammer umgebenden Sperrluf kammer über die Labyrinth-Dichtungen in die Lagerkammer und wird von die¬ ser aus über einen Ölabscheider bevorzugt in die Umgebung abgeführt, könnte aber auch andersartig weiter verwendet werden.
Um den beschriebenen Sperrluftstrom von der Sperrluftkam¬ mer in die Lagerkammer und von dieser aus beispielsweise in die Umgebung sicherzustellen, ist stets ein gewisses Druckgefälle zwischen der Sperrluftkammer sowie der Umge¬ bung erforderlich, d. h. der Druck in der Sperrluftkammer muß um ein gewisses Maß über demjenigen nach der Lager¬ kammer liegen. Daher ist es üblich, die Sperrluftkammern vom Niederdruck-Verdichter, der auch als Fan ausgebildet sein kann, oder vom Hochdruck-Verdichter aus mit einem Sperrluftstrom zu versorgen. Jedoch können beim Betrieb eines Gasturbinen-Triebwerkes Betriebspunkte auftreten, in denen der durch den Niederdruck-Verdichter oder Fan bereitgestellte Druck nicht ausreicht, einen Sperrluft- ström unter Überwindung der Strömungswiderstände bei¬ spielsweise in den Labyrinth-Dichtungen über die Sperr¬ luftkammer sowie die Lagerkammer und weiterhin über einen Ölabscheider in die Umgebung zu fördern. Die oben ge¬ nannte GB-B-702 931 schlägt daher vor, in diesen Fällen den Sperrluftstrom vom Hochdruck-Verdichter abzuzweigen.
Dieser bekannte Stand der Technik ist insofern von Nach¬ teil, als nicht nur ein eigenes Umschaltventil erforder¬ lich ist, mit Hilfe dessen der Sperrluftstrom entweder vom Niederdruck-Verdichter bzw. Fan oder vom Hochdruck- Verdichter abgezweigt wird, sondern darüber hinaus wird bei diesem bekannten Stand der Technik jede der Lagerkam¬ mern zumindest zeitweise mit einem relativ hochtemperier¬ ten Sperrluftstrom beaufschlagt, da - wie bekannt - im Hochdruck-Verdichter bereits ein deutlich erhöhtes Tempe¬ raturniveau herrscht. Verbesserungen sowie Vereinfachungen im Hinblick auf die Sperrluftversorgung an einem Gasturbinen-Triebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die ver¬ dichterseitige Sperrluftkammer vom Niederdruck-Verdichter oder Fan und die turbinenseitige Sperrluftkammer vom Hochdruck-Verdichter mit Sperrluft versorgt wird und daß der aus der verdichterseitigen Lagerkammer austretende Sperrluftstrom in einem Ejektor dem aus der turbinensei¬ tigen Lagerkammer austretenden Sperrluftstrom beigemengt wird. Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Ölabscheider dabei stromab des Ejektors vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß wird somit die verdichterseitige Lager¬ kammer stets mit einem Sperrluftstrom beaufschlagt der vom Niederdruck-Verdichter oder einem Fan gefördert wird, während die turbinenseitige Lagerkammer stets von einem Sperrluftstrom beaufschlagt wird, der vom Hochdruck-Ver¬ dichter gefördert wird. Auf diese Weise kann zunächst das im Stand der Technik bekannte Umschaltventil vorteilhaf¬ terweise ersatzlos entfallen. Ferner erhält die verdich¬ terseitige Lagerkammer auf diese Weise stets einen rela- tiv niedrig temperierten Sperrluftstrom, so daß diese La¬ gerkammer auch in einem Werkstoff ausgebildet werden kann, der hohen Temperaturen nicht Stand halten würde, so beispielsweise in Magnesium. Um jedoch sicherzustellen, daß bei nicht ausreichendem Förderdruck des Niederdruck- Verdichters bzw. Fans dennoch ein Sperrluftstrom der gewünschten Richtung durch die Lagerkammer geführt wird, ist erfindungsgemäß ein Ejektor bzw. eine Saugstrahlpumpe vorgesehen, der bzw. die den durch die verdichterseitige Lagerkammer strömenden Sperrluftstrom aus dieser Lagerkammer absaugt. Genutzt wird hierzu das im Sperrluftstrom der turbinenseitigen Lagerkammer noch
ERSAΓZBLAΓT (REGEL 26) vorhandene Druckpotential. Mit dieser Anordnung ist somit nicht nur unter allen Betriebspunkten ein ausreichender Sperrluftstrom in den beiden Lagerkammern sichergestellt, sondern darüber hinaus wird vorteilhafterweise der Schmierölkreislauf des Gasturbinen-Triebwerkes in gerin¬ gerem Maße erwärmt, da die verdichterseitige Lagerkammer in allen Betriebspunkten mit einem relativ kalten Sperr¬ luftstrom beaufschlagt wird.
Selbstverständlich können auch weitere Lagerkammern oder dgl. nach dem erfindungsgemäßen Prinzip unter allen Be¬ triebspunkten sicher mit einem Sperrluftstrom beauf¬ schlagt werden. Dabei kann es ausreichend sein, wenn die verdichterseitige Sperrluftkammer - wie an sich zwangs- läufig konstruktiv bedingt - im Abströmbereich des Fans liegt, so daß auch ohne eine separate Sperrluft-Versor¬ gungsleitung bereits ein ausreichender Sperrluftstrom von diesem Fan aus in die verdichterseitige Sperrluftkammei gelangen kann. Wird darüber hinaus bei einem erfindungs- gemäßen Sperrluft-Versorgungssystem der erforderliche öl¬ abscheider stromab des Ejektors angeordnet, so ist zum einen hierdurch nur ein einziger ölabscheider erforder¬ lich, zum anderen macht sich dieser ölabscheider nicht in schädlicher Weise druckmindernd bemerkbar, d. h. stromauf des Ejektors/der Saugstrahlpumpe liegt ein ausreichend hohes Druckniveau an, um das erfindungsgemäße Sperrluft¬ versorgungssystem sicherzustellen. Dies wird auch aus der im folgenden erläuterten Prinzipskizze eines bevorzugten Ausführungsbeispieles ersichtlich. Dargestellt sind le- diglich die für das Verständnis erforderlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Gasturbinen-Triebwerkes.
Mit der Bezugsziffer 1 ist die verdichterseitige Lager¬ kammer und mit der Bezugsziffer 2 die turbinenseitige La- gerkammer einer Flug-Gasturbine bezeichnet. Diese Lager¬ kammern weisen jeweils zwei Lager 3, 4 auf, über die wie ersichtlich die Hochdruckwelle 5 bzw. die Niederdruck¬ welle 6 gelagert sind. Wie üblich läuft die Niederdruck¬ welle 6 innerhalb der Hochdruckwelle 5. Dabei trägt die Hochdruck,eile 5 einen Hochdruck-Verdichter 7, von dem lediglich einige Schaufeln dargestellt sind, sowie eine Hochdruck-Turbine 8, von der ebenfalls lediglich eine einzige Schaufel gezeigt ist. In gleicher Weise trägt die Niederdruck-Welle turbinenseitig eine Niederdruck-Turbine 9 sowie verdichterseitig einen dem Hochdruck-Verdichter 7 vorgeschalteten Fan 10, der aber auch als Niederdruck- Verdichter ausgebildet sein kann.
Die verdichterseitige Lagerkammer 1 ist von einer ver- dichterseitigen Sperrluftkammer 11 und die turbinensei- tige Lagerkammer 2 von einer turbinenseitigen Sperrluft¬ kammer 12 umgeben. Im Bereich der Durchtritte der Wel] ?- 5, 6 durch die Wände der Lagerkammern 1, 2 bzw. Sperr- luftkammern 3, 4 sind berührungsfreie Labyrinthdichtungen 13 vorgesehen. Durch diese Labyrinthdichtungen 13 soll verhindert werden, daß das in den Lagerkammern befindli¬ che Schmieröl in den Verdichterraum oder in den Turbinen¬ raum gelangt. Wie bekannt wird hierbei zur Unterstützung dieser Dichtwirkung ein Sperrluftstrom von der jeweiligen Sperrluftkammer 11, 12 über die zugeordnete Lagerkammei 1, 2 in die Umgebung - diese ist mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet - geleitet.
In die jeweiligen Lagerkammern 1, 2 gelangt der Sperr¬ luftstrom von den jeweiligen Sperrluftkammern 11, 12 aus über die Labyrinthdichtungen 13. Aus den jeweiligen La¬ gerkammern 1, 2 abgeführt wird der Sperrluftstrom über Abfuhrleitungen 15 (für die verdichterseitige Lagerkammer 1) bzw. 16 (für die turbinenseitige Lagerkammer 2) . In die verdichterseitige Sperrluftkammer 11 kann der Sperr- luftstrom direkt über die dem Fan 10 zugewandte Laby¬ rinthdichtung 13 eintreten, während die turbinenseitige Sperrluftkammer 12 über eine Zufuhrleitung 17 vom Hoch¬ druck-Verdichter 7 mit Sperrluft versorgt wird.
Es können Betriebspunkte auftreten, in denen das Druck- niveau stromab des Fans 10 nicht ausreicht, um einen aus¬ reichenden Sperrluftstrom durch die verdichterseitige La¬ gerkammer 1 sicherzustellen. So existieren durchaus Be¬ triebspunkte, in denen das Druckniveau stromab des Fans 10 von gleicher Höhe ist wie der Umgebungsdruck, d. h. im Bereich der Bezugsziffer 14. Um dann weiterhin einen Sperrluftstrom durch die verdichterseitige Lagerkammer 1 und die verdichterseitige Sperrluftkammer 11 zu fördern, ist ein Ejektor 18 vorgesehen. Dieser Ejektor 18 kann auch als Saugstrahlpumpe bezeichnet werden und ist an die Abfuhrleitung 16 derart angeschlossen, daß in diesem Ejektor 18 der über die Abfuhrleitung 16 zugeführte Sperrluftstrom derart beschleunigt wird, daß der über die Abfuhrleitung 15 in den Ejektor gelangende Sperrluftstrom aus der verdichterseitigen Lagerkammer 1 abgesaugt wird. Das unter allen Betriebspunkten noch relativ hohe Druck¬ niveau des über die Abfuhrleitung 16 abgeführten Sperrluftstromes der turbinenseitigen Lagerkammer 2 wird somit dazu genutzt, den Sperrluftstrom durch die verdich¬ terseitige Lagerkammer 1 zu fördern. Wie bereits erläu- tert ist dabei das Druckniveau des in der Abfuhrleitung 16 geführten Sperrluftstromes stets ausreichend hoch, da der darin geführte Sperrluftstrom für die turbinenseiti¬ gen Lagerkammer stets vom Hochdruck-Verdichter über die Zufuhrleitung 17 abgezweigt wird.
Stromab des Ejektors 18 ist in der dann zusammengeführten und letztendlich in der Umgebung 14 mündenden Abfuhrlei¬ tung 19 ein ölabscheider vorgesehen, um den vom Sperr¬ luftstrom mitgerissenen ölanteil wieder dem Schmieröl- kreislauf des Gasturbinen-Triebwerkes zuführen zu können. Zur Verdeutlichung der Druckverhältnisse im beschriebenen
ERSATZBLÄFT(REGEL26) Sperrluftsystem werden im folgenden einige repräsentative Druckwerte für einen bestimmten Betriebspunkt angegeben. Herrscht beispielsweise in der Umgebung 14 sowie stromab des Fans 10; ein Druck von 1,0 bar, so herrscht in der verdichterseitigen Sperrluftkammer ein Druck von 0,99 bar und in der Abfuhrleitung 15 ein Druck von 0,97 bar. Im Verdichterraum jenseits der Labyrinthdichtung 13 der ver¬ dichterseitigen Sperrluftkammer 11 herrscht dann ein Druck von 0,98 bar, während in der Zufuhrleitung 17, die von der Stufe 4 des Hochdruck-Verdichters 7 abzweigt, ein Druck von 1,3 bar herrscht. Dann liegt in der turbinen¬ seitigen Sperrluftkammer 12 ein Druck von 1,24 bar an, der nach Passieren der turbinenseitigen Lagerkammer 2 so¬ wie nach Passieren des Ejektors 18 und nach Vermischung mit der über die Abfuhrleitung 15 hinzugelangenden Sperr¬ luft auf einen Druck von 1,01 bar reduziert wird. Dieser Druck ist immer noch ausreichend, um den dann zusammenge¬ führten Sperrluftstrom der beiden Lagerkammern 1, 2 durch den Ölabscheider 20 hindurch in die Umgebung 14, in der wie bereits genannt, ebenfalls ein Druck von 1,0 bar herrsche, zu fördern. Selbstverständlich stellen diese Zahlenwerte lediglich Beispielswerte dar, ebenso können eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom lediglich prinzipiell gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbinen-Triebwerk, insbesondere Flug-Gasturbine, mit einer verdichterseitigen Lagerkammer (1) und einer turbinenseitigen Lagerkammer (2) , mit die öl- versorgten Lagerkammern (1, 2) umgebenden Sperrluft¬ kammern (11, 12) , die von einem Niederdruck-Verdich¬ ter oder Fan (10) und einem Hochdruck-Verdichter (7) mit einem Sperrluftstrom versorgt werden, der über Labyrinthdichtungen (13) zumindest teilweise in die zugeordnete Lagerkammer (1, 2) gelangt und von die¬ ser aus über einen Ölabscheider (20) insbesondere in die Umgebung (14) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichterseitige
Sperrluftkammer (11) vom Niederdruck-Verdichter oder Fan (10) und die turbinenseitige Sperrluftkammer (12) vom Hochdruck-Verdichter (7) mit Sperrluft ver¬ sorgt wird und daß der aus der verdichterseitigen Lagerkammer (1) austretende Sperrluftstrom in einem
Ejektor (18) dem aus der turbinenseitigen Lagerkam¬ mer (2) austretenden Sperrluftstrom beigemengt wird.
2. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölabscheider (20) stromab des Ejektors (18) vorgesehen ist.
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