EP0692066B1 - Gasturbinen-triebwerk mit lagerkammern und sperrluftkammern - Google Patents

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EP0692066B1
EP0692066B1 EP94911189A EP94911189A EP0692066B1 EP 0692066 B1 EP0692066 B1 EP 0692066B1 EP 94911189 A EP94911189 A EP 94911189A EP 94911189 A EP94911189 A EP 94911189A EP 0692066 B1 EP0692066 B1 EP 0692066B1
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EP
European Patent Office
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compressor
sealing air
barrier
chamber
pressure
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EP94911189A
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John Jenkinson
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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BMW Rolls Royce GmbH
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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 oil-supplied bearing chambers surrounding sealing air chambers, which are supplied by a low-pressure compressor or fan and a high-pressure compressor with a sealing air flow at least partially reaches the associated storage chamber via labyrinth seals and, in particular, is discharged from there via an oil separator into the environment.
  • a gas turbine engine in particular a flight gas turbine, with a compressor-side bearing chamber and a turbine-side bearing chamber, with the oil-supplied bearing chambers surrounding sealing air chambers, which are supplied by a low-pressure compressor or fan and a high-pressure compressor with a sealing air flow at least partially reaches the associated storage chamber via labyrinth seals and, in particular, is discharged from there via an oil separator into the environment.
  • 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 designed without contact, so that labyrinth seals are usually used, but are additionally flowed through by a sealing air flow 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 also via an oil separator in to promote the environment.
  • the above-mentioned GB-B-702 931 therefore proposes to branch off the sealing air flow from the high-pressure compressor in these cases.
  • the compressor-side sealing air chamber is supplied with sealing air by the low-pressure compressor or fan and the turbine-side sealing air chamber is supplied with sealing air by the high-pressure compressor, and that the sealing-air flow emerging from the compressor-side bearing chamber is admixed in an ejector to the sealing air flow emerging from the turbine-side bearing chamber .
  • the oil separator can be provided downstream of the ejector.
  • the compressor-side bearing chamber is therefore always acted upon by a sealing air flow which is conveyed by the low-pressure compressor or a fan, while the turbine-side bearing chamber is always acted on by a sealing air flow which is conveyed by the high-pressure compressor.
  • the changeover valve known in the prior art can advantageously be dispensed with without replacement.
  • the compressor-side storage chamber always receives a relatively low-temperature sealing air flow in this way, so that this storage chamber can also be formed in a material that would not withstand high temperatures, for example in magnesium.
  • an ejector or a suction jet pump is provided according to the invention which emits the sealing air flow flowing through the compressor-side bearing chamber sucks this storage chamber. This is still used in the sealing air flow of the turbine-side bearing chamber existing pressure potential.
  • Reference number 1 denotes the compressor-side bearing chamber and reference number 2 the turbine-side bearing chamber of an aircraft gas turbine. These storage chambers each have two bearings 3, 4, via the like can be seen the high pressure shaft 5 and the low pressure shaft 6 are mounted. As usual, the low-pressure shaft 6 runs within the high-pressure shaft 5.
  • the high-pressure shaft 5 carries a high-pressure compressor 7, of which only a few blades are shown, and a high-pressure turbine 8, of which only a single blade is also shown.
  • the low-pressure shaft carries a low-pressure turbine 9 on the turbine side and a fan 10 upstream of the high-pressure compressor 7, which can also be designed as a low-pressure compressor.
  • 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.
  • a sealing air flow is directed from the respective sealing air chamber 11, 12 via the associated storage chamber 1, 2 into the environment to support this sealing effect - this is denoted by the reference number 14.
  • the sealing air flow enters the respective storage chambers 1, 2 from the respective sealing air chambers 11, 12 via the labyrinth seals 13.
  • the sealing air flow is discharged from the respective storage chambers 1, 2 via discharge lines 15 (for the compressor-side storage chamber 1) or 16 (for the turbine-side bearing chamber 2).
  • the sealing air flow can enter the compressor-side sealing air chamber 11 directly via the labyrinth seal 13 facing the fan 10, while the turbine-side Sealing air chamber 12 is supplied with sealing air from the high-pressure compressor 7 via a supply line 17.
  • 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 still relatively high pressure level of the sealing air flow discharged via the discharge line 16 from the turbine-side bearing chamber 2 is thus used to promote the sealing air flow through the compressor-side bearing chamber 1 under all operating points.
  • 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 by the high-pressure compressor via the supply line 17.
  • An oil separator 20 is provided downstream of the ejector 18 in the discharge line 19 which then merges and ultimately opens into the environment 14 in order to be able to feed the oil portion entrained by the sealing air flow back into the lubricating oil circuit of the gas turbine engine.
  • sealing air systems are given some representative pressure values for a specific operating point. For example, if there is a pressure of 1.0 bar in the environment 14 and downstream of the fan 10, there is a pressure of 0.99 bar in the compressor-side sealing air chamber and a pressure of 0.97 bar in the discharge line 15.
  • a pressure of 0.98 bar then prevails in the compressor space beyond the labyrinth seal 13 of the compressor-side sealing air chamber 11, while a pressure of 1.3 bar prevails in the feed line 17, which branches off from stage 4 of the high-pressure compressor 7.
  • a pressure of 1.24 bar in the turbine-side sealing air chamber 12, which is reduced to a pressure of 1.01 bar after passing through the turbine-side bearing chamber 2 and after passing through the ejector 18 and after mixing with the sealing air arriving via the discharge line 15 .
  • This pressure is still sufficient to promote the then combined sealing air flow of the two storage chambers 1, 2 through the oil separator 20 into the environment 14, in which, as already mentioned, there is also a pressure of 1.0 bar.
  • these numerical values only represent exemplary values, and a large number of details, in particular of a constructive nature, can also be designed to deviate from the exemplary embodiment shown in principle without departing from the content of the patent claims.

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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

  • Die Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Triebwerk, insbesondere eine Flug-Gasturbine, mit einer verdichterseitigen Lagerkammer und einer turbinenseitigen Lagerkammer, mit die ölversorgten Lagerkammern umgebenden Sperrluftkammern, 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 die Umgebung abgeführt wird. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die GB-B- 702 931, sowie EP-A- 354 422 verwiesen.
  • Die in den Lagerkammern für die Wellen eines Gasturbinen-Triebwerkes vorgesehenen Dichtungen zwischen der Lagerkammerwand 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 ausgebildet sein, so daß üblicherweise Labyrinth-Dichtungen zum Einsatz kommen, die jedoch zur Erzielung einer optimalen Dichtwirkung zusätzlich von einem Sperrluftstrom durchströmt werden. Dieser Sperrluftstrom gelangt von einer die Lagerkammer umgebenden Sperrluftkammer über die Labyrinth-Dichtungen in die Lagerkammer und wird von dieser aus über einen Ölabscheider bevorzugt in die Umgebung abgeführt, könnte aber auch andersartig weiter verwendet werden.
  • Um den beschriebenen Sperrluftstrom von der Sperrluftkammer in die Lagerkammer und von dieser aus beispielsweise in die Umgebung sicherzustellen, ist stets ein gewisses Druckgefälle zwischen der Sperrluftkammer sowie der Umgebung erforderlich, d. h. der Druck in der Sperrluftkammer muß um ein gewisses Maß über demjenigen nach der Lagerkammer 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 Sperrluftstrom unter Überwindung der Strömungswiderstände beispielsweise in den Labyrinth-Dichtungen über die Sperrluftkammer sowie die Lagerkammer und weiterhin über einen Ölabscheider in die Umgebung zu fördern. Die oben genannte GB-B-702 931 schlägt daher vor, in diesen Fällen den Sperrluftstrom vom Hochdruck-Verdichter abzuzweigen.
  • Dieser bekannte Stand der Technik ist insofern von Nachteil, als nicht nur ein eigenes Umschaltventil erforderlich 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 Lagerkammern zumindest zeitweise mit einem relativ hochtemperierten Sperrluftstrom beaufschlagt, da - wie bekannt - im Hochdruck-Verdichter bereits ein deutlich erhöhtes Temperaturniveau 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 verdichterseitige 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 turbinenseitigen Lagerkammer austretenden Sperrluftstrom beigemengt wird. Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Ölabscheider dabei stromab des Ejektors vorgesehen sein.
  • Erfindungsgemäß wird somit die verdichterseitige Lagerkammer 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-Verdichter gefördert wird. Auf diese Weise kann zunächst das im Stand der Technik bekannte Umschaltventil vorteilhafterweise ersatzlos entfallen. Ferner erhält die verdichterseitige Lagerkammer auf diese Weise stets einen relativ niedrig temperierten Sperrluftstrom, so daß diese Lagerkammer 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 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 geringerem Maße erwärmt, da die verdichterseitige Lagerkammer in allen Betriebspunkten mit einem relativ kalten Sperrluftstrom beaufschlagt wird.
  • Selbstverständlich können auch weitere Lagerkammern oder dgl. nach dem erfindungsgemäßen Prinzip unter allen Betriebspunkten sicher mit einem Sperrluftstrom beaufschlagt werden. Dabei kann es ausreichend sein, wenn die verdichterseitige Sperrluftkammer - wie an sich zwangsläufig konstruktiv bedingt - im Abströmbereich des Fans liegt, so daß auch ohne eine separate Sperrluft-Versorgungsleitung bereits ein ausreichender Sperrluftstrom von diesem Fan aus in die verdichterseitige Sperrluftkammer gelangen kann. Wird darüber hinaus bei einem erfindungsgemäßen Sperrluft-Versorgungssystem der erforderliche Ölabscheider stromab des Ejektors angeordnet, so ist zum einen hierdurch nur ein einziger ölabscheider erforderlich, 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 lediglich die für das Verständnis erforderlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Gasturbinen-Triebwerkes.
  • Mit der Bezugsziffer 1 ist die verdichterseitige Lagerkammer und mit der Bezugsziffer 2 die turbinenseitige Lagerkammer einer Flug-Gasturbine bezeichnet. Diese Lagerkammern 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 Hochdruckwelle 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 verdichterseitigen Sperrluftkammer 11 und die turbinenseitige Lagerkammer 2 von einer turbinenseitigen Sperrluftkammer 12 umgeben. Im Bereich der Durchtritte der Welle 5, 6 durch die Wände der Lagerkammern 1, 2 bzw. Sperrluftkammern 3, 4 sind berührungsfreie Labyrinthdichtungen 13 vorgesehen. Durch diese Labyrinthdichtungen 13 soll verhindert werden, daß das in den Lagerkammern befindliche Schmieröl in den Verdichterraum oder in den Turbinenraum gelangt. Wie bekannt wird hierbei zur Unterstützung dieser Dichtwirkung ein Sperrluftstrom von der jeweiligen Sperrluftkammer 11, 12 über die zugeordnete Lagerkammer 1, 2 in die Umgebung - diese ist mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet - geleitet.
  • In die jeweiligen Lagerkammern 1, 2 gelangt der Sperrluftstrom von den jeweiligen Sperrluftkammern 11, 12 aus über die Labyrinthdichtungen 13. Aus den jeweiligen Lagerkammern 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 Sperrluftstrom direkt über die dem Fan 10 zugewandte Labyrinthdichtung 13 eintreten, während die turbinenseitige Sperrluftkammer 12 über eine Zufuhrleitung 17 vom Hochdruck-Verdichter 7 mit Sperrluft versorgt wird.
  • Es können Betriebspunkte auftreten, in denen das Druckniveau stromab des Fans 10 nicht ausreicht, um einen ausreichenden Sperrluftstrom durch die verdichterseitige Lagerkammer 1 sicherzustellen. So existieren durchaus Betriebspunkte, 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 Druckniveau des über die Abfuhrleitung 16 abgeführten Sperrluftstromes der turbinenseitigen Lagerkammer 2 wird somit dazu genutzt, den Sperrluftstrom durch die verdichterseitige Lagerkammer 1 zu fördern. Wie bereits erläutert ist dabei das Druckniveau des in der Abfuhrleitung 16 geführten Sperrluftstromes stets ausreichend hoch, da der darin geführte Sperrluftstrom für die turbinenseitigen 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 Abfuhrleitung 19 ein Ölabscheider 20 vorgesehen, um den vom Sperrluftstrom mitgerissenen Ölanteil wieder dem Schmierölkreislauf des Gasturbinen-Triebwerkes zuführen zu können. Zur Verdeutlichung der Druckverhältnisse im beschriebenen 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 verdichterseitigen 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 turbinenseitigen Sperrluftkammer 12 ein Druck von 1,24 bar an, der nach Passieren der turbinenseitigen Lagerkammer 2 sowie nach Passieren des Ejektors 18 und nach Vermischung mit der über die Abfuhrleitung 15 hinzugelangenden Sperrluft auf einen Druck von 1,01 bar reduziert wird. Dieser Druck ist immer noch ausreichend, um den dann zusammengeführten 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 (2)

  1. Gasturbinen-Triebwerk, insbesondere Flug-Gasturbine, mit einer verdichterseitigen Lagerkammer (1) und einer turbinenseitigen Lagerkammer (2), mit die ölversorgten Lagerkammern (1, 2) umgebenden Sperrluftkammern (11, 12), die von einem Niederdruck-Verdichter 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 dieser 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 versorgt wird und daß der aus der verdichterseitigen Lagerkammer (1) austretende Sperrluftstrom in einem Ejektor (18) dem aus der turbinenseitigen Lagerkammer (2) austretenden Sperrluftstrom beigemengt wird.
  2. Gasturbinen-Triebwerk nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Ölabscheider (20) stromab des Ejektors (18) vorgesehen ist.
EP94911189A 1993-04-01 1994-03-18 Gasturbinen-triebwerk mit lagerkammern und sperrluftkammern Expired - Lifetime EP0692066B1 (de)

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PCT/EP1994/000854 WO1994023184A1 (de) 1993-04-01 1994-03-18 Gasturbinen-triebwerk mit lagerkammern und sperrluftkammern

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