EP1599657A1 - Anordnung zur beeinflussung des wärmeübergangs in rotierenden einrichtungen, insbesondere in gasturbinen - Google Patents

Anordnung zur beeinflussung des wärmeübergangs in rotierenden einrichtungen, insbesondere in gasturbinen

Info

Publication number
EP1599657A1
EP1599657A1 EP03785590A EP03785590A EP1599657A1 EP 1599657 A1 EP1599657 A1 EP 1599657A1 EP 03785590 A EP03785590 A EP 03785590A EP 03785590 A EP03785590 A EP 03785590A EP 1599657 A1 EP1599657 A1 EP 1599657A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotating
heat transfer
assembly
improving
convective heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03785590A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Claus Burkhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP1599657A1 publication Critical patent/EP1599657A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K3/00—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
    • F02K3/02—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber
    • F02K3/04—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber the plant including ducted fans, i.e. fans with high volume, low pressure outputs, for augmenting the jet thrust, e.g. of double-flow type
    • F02K3/072—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber the plant including ducted fans, i.e. fans with high volume, low pressure outputs, for augmenting the jet thrust, e.g. of double-flow type with counter-rotating, e.g. fan rotors
    • 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
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/24—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by counter-rotating rotors subjected to same working fluid stream without intermediate stator blades or the like
    • 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
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/24—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by counter-rotating rotors subjected to same working fluid stream without intermediate stator blades or the like
    • F01D1/26—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by counter-rotating rotors subjected to same working fluid stream without intermediate stator blades or the like traversed by the working-fluid substantially axially
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/06—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor the compressor comprising only axial stages
    • F02C3/067—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor the compressor comprising only axial stages having counter-rotating rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for influencing the heat transfer in rotating devices according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a gas turbine according to the preamble of claim 6.
  • Gas turbines which are used as engines in aircraft, for example, generally comprise a plurality of rotating rotor blades arranged one behind the other in the axial direction of the gas turbine.
  • the rotating blades are surrounded by a fixed housing.
  • a gap is formed between the rotor blades and the housing, which gap should be as small as possible in order to avoid efficiency losses in the gas turbine.
  • the rotating blades and the fixed housing have a different thermal behavior.
  • the rotating blades and the fixed housing expand to different extents, particularly in the transient operating range of the gas turbine. This can lead to an increase in the gap between the blades and the housing.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel arrangement for influencing the heat transfer in rotating devices. Furthermore, it is within the scope of the invention to create a corresponding gas turbine.
  • the first rotating assembly is assigned at least one device for improving the convective heat transfer in the rotating device.
  • the different thermal behavior of the modules can be improved in this way.
  • the gas turbine according to the invention is characterized by the features of claim 6.
  • the gas turbine has a rotating inner shaft, a fixed housing and a rotor assembly, consisting of several disks, each with several rotor blades, the rotor blades and the inner shaft about a common axis and at different speeds and in some cases. Rotate the direction of rotation relative to each other.
  • the inner shaft is assigned at least one device for improving the convective heat transfer.
  • the blades and the housing consequently expand more evenly even during the non-stationary operation of the gas turbine. This reduces the radial gap between the blades and the housing. This reduces losses in the efficiency of the gas turbine.
  • a plurality of rotating blades are arranged one behind the other in the axial direction of the gas turbine.
  • Each rotor blade is assigned a component, namely a disk, which extends between the rotor blades and the inner shaft.
  • Two rotating disks define a rotating chamber.
  • the inner shaft has a plurality of rubbings arranged one behind the other in the axial direction.
  • device for improving the convective heat transfer the devices extending radially from the inner shaft into the chambers delimited by the panes.
  • the devices for improving the convective heat transfer are designed as flexible bodies that change their external shape when rotated. The devices ensure a better or stronger flow through the chambers and thus an increase in the convective heat transfer in the rotating chambers.
  • Fig. 1 a section of a gas turbine according to the invention in the schematic
  • FIG. 2 a detail of FIG. 1 in a cross section rotated by 90 ° from the plane of the drawing compared to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 10 according to the invention.
  • the gas turbine 10 has a rotating inner shaft 11, FIG. 1 showing an axis of rotation 12 of the inner shaft 11 and a wall 13 thereof. Furthermore, the gas turbine 10 has a plurality of rotating rotor blades 14 arranged one behind the other in the axial direction.
  • a stationary guide blade row 15 is positioned between two adjacent rotor blade rows 14.
  • a housing 16 adjoins the rotor blade 14 and guide blades 15, which housing is of fixed design and limits the gas turbine 10 to the outside.
  • each rotating blade 14 rotates about the same axis of rotation 12 as the inner shaft 1 1.
  • the guide blades 15 and the housing 16 are fixed and thus non-rotating.
  • a gas turbine with a rotating inner shaft 1 1 is a medium pressure or a high pressure component.
  • each rotating blade 14 is assigned a disk 17 which extends in the direction of the inner shaft 11.
  • the disks 17 are firmly connected to the rotor blades 14 and rotate together with the rotor blades 14 about the axis of rotation 12.
  • the disks 17 are securely connected to one another by a shroud 18.
  • the casing 18 also rotates together with the rotor blades 14 and the disks 17 about the axis of rotation 12.
  • Two adjacent, rotating disks 17 delimit a chamber running between the inner shaft 11 and the jacket 18. Such a chamber is identified in FIG. 1 by the reference number 19.
  • the chambers 19 therefore limit a defined volume.
  • the chambers 19 rotate about the axis of rotation 12.
  • a gap is formed between an outer wall 20 of the rotating blades 14 and the housing 16.
  • This gap should be made as small as possible to avoid losses in efficiency.
  • the rotating assemblies of the gas turbine 10, in particular the rotating blades 14 and the rotating disks 17 have a different thermal behavior over time than the fixed assemblies, in particular the fixed housing 16, the gap between the two is subject to the state of the art in gas turbines Blades 14 and the housing 16 of a change.
  • the housing 16 expands faster than the rotating blades 14 when accelerated due to the action of heat.
  • the thermal fraction of the gap between the blades 14 and the housing 16 increases however, an enlarged gap affects the efficiency of the gas turbine. An increase in the gap should therefore be avoided.
  • the rotating inner shaft 11 of the gas turbine 10 is assigned devices 21 for improving the convective heat transfer within the chambers 19 and thus between the rotating blades 14 and the fixed housing 16. net
  • the devices 21 are firmly connected to the inner shaft 1 1 and rotate together with the inner shaft 1 1 about the axis of rotation 12. According to FIG. 1, the devices 21 for improving the convective heat transfer into the chambers 19 delimited by disks 17.
  • the disks 17 rotate together with the moving blades 14 about the axis of rotation 12.
  • the rotor blades 14 and the disks 17 accordingly have a uniform direction of rotation and speed relative to the axis of rotation 12.
  • the devices 21 for improving the convective heat transfer are firmly connected to the inner shaft 11.
  • the devices 21 rotate together with the inner shaft 11 about the axis of rotation 12.
  • the inner shaft 11 and the devices 21 for improving the convective heat transfer accordingly also rotate with respect to the axis of rotation 12 with the same speed and the same direction of rotation.
  • the rotating inner shaft 11 has a different speed and / or direction of rotation than the rotating guide vanes 14 and thus the rotating disks 17 or rotating chambers 19. Accordingly, the inner shaft 11 rotates together with the devices 21 relative to the rotor blades 14 and thus relative to the rotating chambers 19 delimited by the disks 17.
  • the devices 21 connected to the rotating inner shaft 11 for improving the convective heat transfer can be designed as bodies of any shape. However, the configuration of the devices 21 shown in FIG. 2 is preferred.
  • the devices 21 for improving the convective heat transfer in the exemplary embodiment in FIG. 2 are flexible bodies made of, for example, flexible metal. Plastic.
  • the devices 21 are firmly anchored in the wall 13 of the inner shaft 11 with a first section 22. With a second section 23 opposite the first section 22, the devices 21 protrude into the rotating chambers 19. Since the devices 21 are designed as flexible bodies in the exemplary embodiment shown here, they can stretch under the action of a centrifugal force. In other words, this means that the devices 21 designed as flexible bodies change their external shape when they rotate.
  • the devices 21 can also be designed as metal strips or metal wires or metal bodies of any shape.
  • the flexible bodies can also protrude into the chambers 19 to different depths.
  • the length of the device described could be changed or adapted by a mechanism integrated in the shaft.
  • Rigid bodies are also conceivable, which are suitable for directing the axially flowing air into the chamber on account of their shape and for their radial extent they are no larger than the hubs of the disks, so that the shaft can be mounted, that is to say pushed through the hubs can be.
  • the devices 21 rotate together with the inner shaft 1 1 about the axis of rotation 12.
  • the blades 14 and discs 17 also rotate at a common speed and direction of rotation about the axis of rotation 12, but relative to the inner shaft 11 and the devices 21.
  • the rotational movement of the devices 21 and of the disks 17 delimited chambers 19 differ in the speed and / or direction of rotation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft Anordnung zur Beeinflussung des Wärmeübergangs in rotierenden Einrichtungen, insbesondere in Gasturbinen. Eine Gasturbine (10) verfügt über eine rotierenden ersten Baugruppe (11), nämlich eine Innenwelle. Weiterhin ist eine feststehenden zweite Baugruppe (16), ein Gehäuse, vorhan­den. Zwischen der ersten Baugruppe (11) und der zweiten Baugruppe (16) ist eine rotieren­den dritte Baugruppe (14, 17), nämlich Laufschaufeln und den Laufschaufeln zugeordnete Scheiben, angeordnet, wobei die erste Baugruppe (11) und die dritte Baugruppe (14, 17) um eine gemeinsame Achse (12) und relativ zueinander rotieren. Erfindungsgemäß ist der ersten rotierenden Baugruppe (11), der Innenwelle, mindestens eine Einrichtung (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zugeordnet.

Description

Anordnung zur Beeinflussung des Wärmeübergangs in rotierenden Einrichtungen, insbesondere in Gasturbinen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beeinflussung des Wärmeübergangs in rotierenden Einrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Gasturbinen, die zum Beispiel in Flugzeugen als Triebwerke verwendet werden, umfassen in der Regel mehrere in axialer Richtung der Gasturbine hintereinander angeordnete, rotierende Laufschaufeln. Die rotierenden Laufschaufeln sind von einem feststehenden Gehäuse umgeben. Zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse ist ein Spalt ausgebildet, der zur Vermeidung von Wirkungsgradverlusten der Gasturbine möglichst gering bemessen sein soll.
Die rotierenden Laufschaufeln und das feststehende Gehäuse verfügen über ein unterschiedliches thermisches Zeitverhalten. Bei Wärmentwicklung im Betrieb der Gasturbine dehnen sich demnach die rotierenden Laufschaufeln und das feststehende Gehäuse, insbesondere im instationären Betriebsbereich der Gasturbine, unterschiedlich stark aus. Hierdurch kann es zu einer Vergrößerung des Spalts zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse kommen.
In rotierenden Einrichtungen wie zum Beispiel Gasturbinen sollen die unterschiedlich starken Ausdehnungen von feststehenden Baugruppen und rotierenden Baugruppen ausgeglichen werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Wärmeübergang zwischen den feststehenden Baugruppen und den rotierenden Baugruppen verbessert wird. Ein verbesserter Wärmeübergang zwischen den feststehenden Baugruppen und den rotierenden Baugruppen sorgt für eine Angleichung des thermischen Zeitverhaltens, eine angeglichene Erwärmung und damit letztendlich ausgeglichene Ausdehnung von feststehenden Baugruppen und rotierenden Baugruppen. Für Gasturbinen würde dies bedeuten, dass es auch im instationären Betriebsbereich der Gasturbine zu einer ausgeglichenen bzw. gleichmäßigen Aus- dehnung von Laufschaufeln und Gehäuse kommt, wodurch die Größe des Spalts zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse im Idealfall keinen Schwankungen mehr unterliegt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Anordnung zur Beeinflussung des Wärmeübergangs in rotierenden Einrichtungen zu schaffen. Weiterhin liegt es im Sinne der Erfindung, eine entsprechende Gasturbine zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die Eingangs genannte Anordnung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Erfindungsgemäß ist der ersten rotierenden Baugruppe mindestens eine Einrichtung zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs in der rotierenden Einrichtung zugeordnet. Das unterschiedliche thermische Zeitverhalten der Baugruppen kann hierdurch verbessert werden.
Die erfindungsgemäße Gasturbine ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gekennzeichnet.
Die Gasturbine weist eine rotierende Innenwelle, ein feststehendes Gehäuse und einen Rotorverband, bestehend aus mehreren Scheiben mit jeweils mehreren Laufschaufeln auf, wobei die Laufschaufeln und die Innenwelle um eine gemeinsame Achse und mit unterschiedlicher Drehzahl und z.T. Drehrichtung relativ zueinander rotieren. Erfindungsgemäß ist der Innenwelle mindestens eine Einrichtung zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zugeordnet. Die Laufschaufeln und das Gehäuse dehnen sich demzufolge auch während des instationären Betriebs der Gasturbine gleichmäßiger aus. Dadurch wird der Radialspalt zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse verringert. Hierdurch werden Einbußen im Wirkungsgrad der Gasturbine verkleinert.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in axialer Richtung der Gasturbine mehrere rotierende Laufschaufeln hintereinander angeordnet. Jeder Laufschaufel ist ein sich zwischen den Laufschaufeln und der Innenwelle erstreckendes Bauteil, nämlich eine Scheibe, zugeordnet. Jeweils zwei benachbarte Scheiben begrenzen eine rotierende Kammer. Der Innenwelle sind mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete Einrieb- tung zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zugeordnet, wobei sich die Einrichtungen ausgehend von der Innenwelle radial in die von den Scheiben begrenzten Kammern erstrecken. Die Einrichtungen zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs sind als flexible Körper ausgebildet, die bei Rotation ihre äußere Form verändern. Die Einrichtungen sorgen für eine bessere bzw. stärkere Durchströmung der Kammern und damit für eine Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs in den rotierenden Kammern.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 : einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Gasturbine im schematisierten
Querschnitt, und
Fig. 2: ein Detail der Fig. 1 in einem gegenüber Fig. 1 um 90° aus der Zeichenebene gedrehten Querschnitt.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Gasturbine 10. Die Gasturbine 10 verfügt über eine rotierende Innenwelle 1 1 , wobei Fig. 1 eine Drehachse 12 der Innenwelle 1 1 und eine Wandung 13 derselben zeigt. Weiterhin verfügt die Gasturbine 10 über mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete, rotierende Laufschaufeln 14. Zwischen jeweils zwei benachbarten Laufschaufelreihen 14 ist eine feststehende Leitschaufelreihe 15 positioniert. An die Laufschaufel 14 sowie Leitschaufeln 15 grenzt ein Gehäuse 16 an, welches feststehend ausgebildet ist und die Gasturbine 10 nach außen begrenzt.
Die rotierenden Laufschaufeln 14 rotieren um dieselbe Drehachse 12 wie die Innenwelle 1 1. Wie bereits erwähnt, sind die Leitschaufeln 15 und das Gehäuse 16 feststehend und damit nicht-rotierend. Bei einer Gasturbine mit einer rotierenden Innenwelle 1 1 handelt es sich um eine Mitteldruck- oder um eine Hochdruckkomponente. Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ist jeder rotierenden Laufschaufel 14 eine sich in Richtung auf die Innenwelle 1 1 erstreckende Scheibe 17 zugeordnet. Die Scheiben 17 sind mit den Laufschaufeln 14 fest verbunden und rotieren zusammen mit den Laufschaufeln 14 um die Drehachse 12. Die Scheiben 17 sind durch einen Mantel 18 (shroud) miteinander fest verbunden. Auch der Mantel 18 rotiert zusammen mit den Laufschaufeln 14 und den Scheiben 17 um die Drehachse 12.
Jeweils zwei benachbarte, rotierende Scheiben 17 begrenzen eine zwischen der Innenwelle 1 1 und dem Mantel 18 verlaufende Kammer. Eine solche Kammer ist in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet. Die Kammern 19 begrenzen demnach ein definiertes Volumen. Die Kammern 19 rotieren um die Drehachse 12.
Bei einer solchen Gasturbine 10 ist zwischen einer äußeren Wandung 20 der rotierenden Laufschaufeln 14 und dem Gehäuse 16 ein Spalt ausgebildet. Dieser Spalt soll zur Vermeidung von Wirkungsgradverlusten möglichst gering ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, dass der Spalt zwischen den Laufschaufeln 14 und dem Gehäuse 16 während des gesamten Betriebs der Gasturbine 10 möglichst geringe Abmessungen aufweisen soll. Da jedoch die rotierenden Baugruppen der Gasturbine 10, insbesondere die rotierenden Laufschaufeln 14 und die rotierenden Scheiben 17, über ein unterschiedliches thermisches Zeitverhalten wie die feststehenden Baugruppen, insbesondere das feststehende Gehäuse 16, verfügen, unterliegt bei Gasturbinen nach dem Stand der Technik der Spalt zwischen den Laufschaufeln 14 und dem Gehäuse 16 einer Veränderung.
So dehnt sich nämlich nach dem Stand der Technik bei Beschleunigung infolge von Wärmeeinwirkung das Gehäuse 16 schneller aus als die rotierenden Laufschaufeln 14. Insbesondere während einer Beschleunigung der Gasturbine 10 vergrößert sich demnach der thermische Anteil des Spalts zwischen den Laufschaufeln 14 und dem Gehäuse 16. Ein vergrößerter Spalt beeinträchtigt jedoch den Wirkungsgrad der Gasturbine. Eine Vergrößerung des Spalts soll demnach vermieden werden.
Erfindungsgemäß sind der rotierenden Innenwelle 1 1 der Gasturbine 10 Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs innerhalb der Kammern 19 und damit zwischen den rotierenden Laufschaufeln 14 und dem feststehenden Gehäuse 16 zugeord- net Die Einrichtungen 21 sind mit der Innenwelle 1 1 fest verbunden und rotieren zusammen mit der Innenwelle 1 1 um die Drehachse 12. Gemäß Fig. 1 ragen die Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs in die von Scheiben 17 begrenzten Kammern 19 hinein.
An dieser Stelle soll nochmals darauf hingewiesen werden, dass die Scheiben 17 zusammen mit den Laufschaufeln 14 um die Drehachse 12 rotieren. Die Laufschaufeln 14 und die Scheiben 17 verfügen demnach relativ zur Drehachse 12 über eine einheitliche Drehrichtung sowie Drehzahl. Die Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs sind mit der Innenwelle 1 1 fest verbunden. Somit rotieren die Einrichtungen 21 zusammen mit der Innenwelle 1 1 um die Drehachse 12. Die Innenwelle 1 1 und die Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs rotieren demnach bezüglich der Drehachse 12 auch mit einer gleichen Drehzahl und gleichen Drehrichtung.
Die rotierende Innenwelle 1 1 verfügt jedoch gegenüber den rotierenden Leitschaufeln 14 und damit gegenüber den rotierenden Scheiben 17 bzw. rotierenden Kammern 19 über eine unterschiedliche Drehzahl und/oder unterschiedliche Drehrichtung. Die Innenwelle 1 1 rotiert demnach zusammen mit den Einrichtungen 21 relativ zu den Laufschaufeln 14 und damit relativ zu den von den Scheiben 17 begrenzten, rotierenden Kammern 19.
Bedingt dadurch, dass die Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs in die rotierenden Kammern 19 hineinragen und relativ zu den rotierenden Kammern 19 mit einer unterschiedlichen Drehrichtung und/oder unterschiedlichen Drehzahl rotieren, wird für eine intensive Durchströmung der rotierenden Kammern 19 gesorgt. Dies bewirkt eine Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs in den rotierenden Kammern 19 und damit letztendlich ein schnelleres thermisches Zeitverhalten der rotierenden Scheiben 17. Damit kann das gegenüber dem feststehenden Gehäuse 16 unterschiedliche thermische Zeitverhalten der rotierenden Laufschaufeln 14 und damit das unterschiedliche Dehnungsverhalten zwischen dem feststehenden Gehäuse 16 und den rotierenden Schaufeln 14 besser ausgeglichen werden. Die rotierenden Laufschaufeln 14 und das feststehende Gehäuse 16 dehnen sich dann über den gesamten Betriebsbereich der erfindungsgemäßen Gasturbine 10 hinweg gleichmäßiger aus. Insbesondere während des instationären Betriebsbereichs der Gasturbine 10 wird eine Änderung des Spalts zwischen den Laufschaufeln 14 und dem Gehäuse 16 verringert. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Gasturbine 10 insbesondere während des instationären Betriebsbereichs merklich verbessert werden, was zu Kraftstoffeinsparungen sowie zu einer Verbesserung des sogenannten Pumpgrenzabstands des Verdichters in der Gasturbine 10 führt.
Die mit der rotierenden Innenwelle 1 1 verbundenen Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs können als beliebig geformte Körper ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch die in Fig. 2 wiedergegebene Ausgestaltung der Einrichtungen 21.
So handelt es sich bei den Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 um flexible Körper aus zum Beispiel flexiblem Metall. Kunststoff. Mit einem ersten Abschnitt 22 sind die Einrichtungen 21 fest in der Wandung 13 der Innenwelle 1 1 verankert. Mit einem dem ersten Abschnitt 22 gegenüberliegenden zweitem Abschnitt 23 ragen die Einrichtungen 21 in die rotierenden Kammern 19 hinein. Da die Einrichtungen 21 im hier gezeigten Ausführungsbeispiel als flexible Körper ausgebildet sind, können sich dieselben unter Einwirkungen einer Zentrifugalkraft strecken. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die als flexible Körper ausgebildeten Einrichtungen 21 bei Rotation ihre äußere Form verändern. Die Einrichtungen 21 können auch als Metallstreifen oder Metalldrähte oder beliebig geformte Metallkörper ausgebildet sein. Auch können die flexiblen Körper unterschiedlich tief in die Kammern 19 hineinragen. Durch einen in der Welle integrierten Mechanismus könnte die Länge der beschriebenen Einrichtung verändert bzw. angepasst werden. Es sind auch starre Körper denkbar, die geeignet sind, die axial strömende Luft auf Grund ihrer Form in die Kammer zu lenken und in ihrer radialen Erstreckung nicht größer als die Naben der Scheiben sind, so dass die Welle montierbar ist, also durch die Naben geschoben werden kann.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, in rotierenden Kammern einer Gasturbine oder eines Triebwerks oder einer sonstigen rotierenden Einrichtung den konvektiven Wärmeübergang in den rotierenden Kammern zu erhöhen. Bei einer Gasturbine 10 kann hierdurch das unterschiedliche thermische Zeitverhalten von rotierenden Baugruppen, nämlich der rotierenden Laufschaufeln 14 sowie der mit den Laufschaufeln 14 verbundenen rotierenden Scheiben 17, und feststehenden Baugruppen, nämlich dem feststehenden Gehäuse 16, ausgeglichen werden. Der Innenwelle 1 1 der Gasturbine 10 sind hierzu die be- reits erwähnten Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zugeordnet.
Die Einrichtungen 21 rotieren zusammen mit der Innenwelle 1 1 um die Drehachse 12. Die Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs und die Innenwelle 1 1 rotieren demnach mit derselben Drehzahl und Drehrichtung. Die den Laufschaufeln 14 zugeordneten Scheiben 17 bilden Kammern 19. Die Laufschaufeln 14 und Scheiben 17 rotieren ebenfalls mit einer gemeinsamen Drehzahl und Drehrichtung um die Drehachse 12, jedoch relativ zu der Innenwelle 1 1 und den Einrichtungen 21. Die Rotationsbewegung der Einrichtungen 21 und der von den Scheiben 17 begrenzten Kammern 19 unterscheidet sich durch die Drehzahl und/oder Drehrichtung. Die in die Kammern 19 hineinragenden Einrichtungen 21 zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs bewegen sich demnach relativ zu den Kammern 19 bzw. relativ zu den Scheiben 17. Hierdurch wird eine intensive Durchströmung der Kammern 19 gewährleistet. Letztendlich wird hierdurch der konvektive Wärmeübergang in den rotierenden Kammern erhöht.
Obwohl die Erfindung am Beispiel einer Gasturbine beschrieben worden ist, soll die Erfindung auf diesen konkreten Anwendungsfall nicht beschränkt sein. Die Erfindung ist vielmehr überall dort einsetzbar, wo der Wärmeübergang in rotierenden Einrichtungen beeinflusst werden soll. Der Anwendungsbereich der Erfindung ist also nicht auf Gasturbinen oder sonstige Antriebe in der Luftfahrttechnik beschränkt, obwohl diese Verwendung bevorzugt und besonders vorteilhaft ist.
Bezugszeichenliste
Gasturbine 10
Innenwelle 11
Drehachse 12
Wandung 13
Laufschaufel 14
Leitschaufel 15
Gehäuse 16
Scheiben 17
Mantel 18
Kammer 19
Wandung 20
Einrichtung 21
Abschnitt 22
Abschnitt 23

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Beeinflussung des Wärmeübergangs in rotierenden Einrichtungen, insbesondere in Gasturbinen, mit einer rotierenden ersten Baugruppe (1 1), einer feststehenden zweiten Baugruppe (16) und einer zwischen der ersten Baugruppe (1 1) und der zweiten Baugruppe (16) angeordneten, rotierenden dritten Baugrup- pe(14, 17), wobei die erste Baugruppe (1 1) und die dritte Baugruppe (14, 17) um eine gemeinsame Achse (12) und relativ zueinander rotieren, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten rotierenden Baugruppe (1 1) mindestens eine Einrichtung (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zugeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Einrichtung (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs sich ausgehend von der ersten rotierenden Baugruppe (1 1) radial nach aussen erstreckt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Einrichtung (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs als flexibler Körper, der bei Rotation seine äußere Form verändert, insbesondere sich bei Rotation streckt, oder als starrer Körper ausgebildet ist.
4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende dritte Baugruppe (14, 17) mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete Kammern (19) bildet, dass der rotierenden ersten Baugruppe (1 1) mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete Einrichtungen (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zugeordnet sind, und dass jeweils eine der Einrichtungen (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs in jeweils eine der Kammern (19) hineinragt.
5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende erste Baugruppe (1 1) als Innenwelle ausgebildet ist, dass die rotierende dritte Baugruppe (14, 17) die Innenwelle rotationssymmetrisch umschließt, und dass die erste Baugruppe (1 1) und die dritte Baugruppe (14, 17) mit unterschiedlicher Drehrichtung und/oder unterschiedlicher Drehzahl relativ zueinander rotieren.
6. Gasturbine, mit einer rotierenden Innenwelle (1 1), einem feststehenden Gehäuse (16) und einem Rotorverband einschließlich mehrerer rotierender Laufschaufeln (14), wobei die Laufschaufeln (14), der Rotorverband und die Innenwelle (1 1) um eine gemeinsame Achse (12) und relativ zueinander rotieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwelle (1 1) mindestens eine Einrichtung (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zugeordnet ist.
7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung mehrere rotierende Laufschaufeln (14) hintereinander angeordnet sind, dass vorzugsweise jeder Laufschaufel (14) ein sich zwischen den Laufschaufeln (14) und der Innenwelle (1 1) erstreckendes Bauteil (17) zugeordnet ist, wobei jeweils zwei benachbarte Bauteile (17) eine rotierende Kammer (19) bilden, und dass der Innenwelle (1 1) mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete Einrichtung (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zugeordnet sind, wobei sich die Einrichtungen (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs ausgehend von der Innenwelle (1 1) radial in die von den Bauteilen (17) begrenzten Kammern (19) erstrecken.
8. Gasturbine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Einrichtung (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs als flexibler Körper, der bei Rotation seine äußere Form verändert, insbesondere sich bei Rotation streckt, oder als starrer Körper ausgebildet ist.
9. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs in radialer Richtung unterschiedlich weit in die Kammern (19) hineinragen.
0. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs zusammen mit der Innenwelle (1 1) und die Bauteile (17) zusammen mit den Laufschaufeln (14) rotieren.
1. Gasturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (21) zur Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs und die den Laufschaufeln (14) zugeordneten Bauteile (17) mit unterschiedlicher Drehrichtung und/oder unterschiedlicher Drehzahl relativ zueinander rotieren.
EP03785590A 2003-02-19 2003-12-19 Anordnung zur beeinflussung des wärmeübergangs in rotierenden einrichtungen, insbesondere in gasturbinen Withdrawn EP1599657A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10306820 2003-02-19
DE10306820A DE10306820A1 (de) 2003-02-19 2003-02-19 Anordnung zur Beeinflussung des Wärmeübergangs in rotierenden Einrichtungen, insbesondere in Gasturbinen
PCT/DE2003/004193 WO2004074638A1 (de) 2003-02-19 2003-12-19 Anordnung zur beeinflussung des wärmeübergangs in rotierenden einrichtungen, insbesondere in gasturbinen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1599657A1 true EP1599657A1 (de) 2005-11-30

Family

ID=32797497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP03785590A Withdrawn EP1599657A1 (de) 2003-02-19 2003-12-19 Anordnung zur beeinflussung des wärmeübergangs in rotierenden einrichtungen, insbesondere in gasturbinen

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7422416B2 (de)
EP (1) EP1599657A1 (de)
CA (1) CA2516470A1 (de)
DE (1) DE10306820A1 (de)
WO (1) WO2004074638A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014186016A2 (en) 2013-03-11 2014-11-20 United Technologies Corporation Tie shaft flow trip
US10260524B2 (en) 2013-10-02 2019-04-16 United Technologies Corporation Gas turbine engine with compressor disk deflectors

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2505660A (en) * 1950-04-25 Augmentor fob jet propulsion hav
FR933000A (fr) * 1941-10-14 1948-04-07 Vickers Electrical Co Ltd Perfectionnements aux, ou concernant les turbines à combustion interne, pour la propulsion aérienne
US2998099A (en) * 1957-11-20 1961-08-29 Hollingsworth R Lee Gas impeller and conditioning apparatus
US3080824A (en) * 1961-02-27 1963-03-12 James A Boyd Fluid moving device
FR1514932A (fr) * 1965-06-24 1968-03-01 Snecma Compresseur axial à double rotor contrarotatif
US3538657A (en) * 1968-12-26 1970-11-10 Lawrence Macrow Gas-liquid contact apparatus
US4274261A (en) * 1978-09-25 1981-06-23 United Technologies Corporation Closed cycle contrarotating gas turbine power plant utilizing helium as the working medium
GB8423045D0 (en) * 1984-09-12 1984-10-17 Ici Plc Gas-moving device
US4790133A (en) * 1986-08-29 1988-12-13 General Electric Company High bypass ratio counterrotating turbofan engine
GB2207191B (en) * 1987-07-06 1992-03-04 Gen Electric Gas turbine engine
GB2207465B (en) * 1987-07-18 1992-02-19 Rolls Royce Plc A compressor and air bleed arrangement
JP2630701B2 (ja) * 1991-10-21 1997-07-16 陸郎 野津 対称翼型タービンのタービンロータブレード
US5993158A (en) * 1997-10-17 1999-11-30 Dbs Manufacturing, Inc. Method and apparatus for aeration using flexible blade impeller
JP4040773B2 (ja) * 1998-12-01 2008-01-30 株式会社東芝 ガスタービンプラント

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2004074638A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10306820A1 (de) 2004-09-02
CA2516470A1 (en) 2004-09-02
US7422416B2 (en) 2008-09-09
US20060245917A1 (en) 2006-11-02
WO2004074638A1 (de) 2004-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2650490B1 (de) Leitschaufelverstellvorrichtung einer Gasturbine
DE4447507B4 (de) Ringförmige Dichtung
DE69506890T2 (de) Dynamische kontrolle vom schaufelspitzenspiel
DE60318792T2 (de) Zapfluft-Gehäuse für einen Verdichter
DE60314476T2 (de) Anordnung eines Gehäuses einer Gasturbine und einer Rotorschaufel
DE69718673T2 (de) Kühlbare schaufelstruktur für eine gasturbine
DE102011054468B4 (de) Variables Turbinenleitapparatsystem
EP2503246B1 (de) Segmentierter Brennkammerkopf
EP0214156B1 (de) Dichtung für eine strömungsmaschine
DE3812027A1 (de) Propfan-turbotriebwerk
DE102008017844A1 (de) Strömungsmaschine mit Fluid-Injektorbaugruppe
DE102014219552A1 (de) Leitschaufelverstellvorrichtung einer Gasturbine
DE102008002890A1 (de) Wechselseitig gekühltes Turbinenleitrad
CH703600B1 (de) Stator-Rotor-Baugruppe, Turbomaschine und Verfahren zur Einschränkung der Strömung von Gas.
DE3428892A1 (de) Schaufel- und dichtspaltoptimierungseinrichtung fuer verdichter von gasturbinentriebwerken, insbesondere gasturbinenstrahltriebwerken
DE102009059224B4 (de) Gegenstrom-Hochdruck-Niederdruck-Dampfturbine
EP2455584A1 (de) Gasturbine mit Steuerungsmittel zur Kühlung, welche teilweise aus einer Gedächtnislegierung bestehen
EP1694943B1 (de) Turbomaschine
DE112015004533T5 (de) Variable Düseneinheit und Turbolader mit variabler Kapazität
DE102004022162A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Vereinfachung von Abdichtungen innerhalb Turbinen
DE102006060438A1 (de) Turbinenscheibe
EP3064706A1 (de) Leitschaufelreihe für eine axial durchströmte Strömungsmaschine
DE10311038A1 (de) Rotoreinsatzbaugruppe und Retrofit-Verfahren
DE102007050916A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Zusammenbau von Gasturbinen-Triebwerken
DE19839592A1 (de) Strömungsmaschine mit gekühlter Rotorwelle

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20050705

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): DE FR GB SE

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20110701