DE102004061173B4

DE102004061173B4 - Gasturbinentriebwerk mit einem Partikelseparator

Info

Publication number: DE102004061173B4
Application number: DE102004061173A
Authority: DE
Inventors: Peter Davison
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: DE102004061173A1

Abstract

Gasturbinentriebwerk mit einem Partikelseparator zum Abtrennen von in der zugeführten Luft enthaltenen Partikeln sowie mit einer Rotorschaufeln einer Hochdruckturbine vorgeschalteten Kühlluftleitvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelseparator zur Ablagerung von in der Kühlluft (E) für die Hochdruckturbine (4) enthaltenen chemischen Partikeln (16) und damit zur Vermeidung einer Niedrigtemperatursulfidierung der Rotorschaufeln in einen von Luftleitkanälen (10) durchdrungenen Kühlluftleitring (8) integriert ist, wobei die in dem Kühlluftleitring (8) in regelmäßigem Abstand angeordneten Luftleitkanäle (10) – ausgehend von der Lufteintrittsöffnung (11) – einen zunächst im Wesentlichen axial verlaufenden Teil (12) und anschließend einen zu den Rotorschaufeln (5) der ersten Stufe der Hochdruckturbine (4) gerichteten tangentialen Teil (13) aufweisen, in den gegenüber der Lufteintrittsöffnung (11) eine taschenförmige Vertiefung (14) als Separator für die in der Kühlluft (E) enthaltenen chemischen Partikel (16) eingeformt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit einem Partikelseparator zum Abtrennen von in der von dem Triebwerk benötigten Luft enthaltenen Partikeln sowie mit einer den Rotorschaufeln der Hochdruckturbine vorgeschalteten Kühlluftleiteinrichtung.
Der in eine Fluggasturbine eintretende Luftstrom ist in Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Umweltbedingungen mit einem mehr oder weniger großen Anteil an Staub, Sand und Schmutzpartikeln, an die auch chemische Bestandteile wie zum Beispiel Chloride und Sulfide gebunden sein können, beladen, die die von dem Luftstrom kontaktierten Turbinenteile mechanisch und chemisch erheblich beanspruchen und zu Verschleiß- und/oder Korrosionserscheinungen und letztlich zu deren Zerstörung führen können. Um die unerwünschten Teilchen aus dem Luftstrom abzutrennen, wurde bereits die Verwendung von auf der Lufteintrittsseite der Fluggasturbine angebrachten Partikelseparatoren vorgeschlagen.
Bei einer aus der US 2003/0024232A1 bekannten Vorrichtung dieser Art sind auf der Lufteintrittsseite am Turbinengehäuse mehrere, im Abstand um eine Befestigungsachse angeordnete Teilchenseparatoren angeordnet, um die festen Partikel aus dem Luftstrom zu entfernen und die Turbinenteile bereits an der Lufteintrittsseite vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Die Anordnung derartiger Teilchenseparatoren ist mit einem erheblichen Aufwand und einer Erhöhung des Gewichts verbunden.
Gemäß der EP 0 211 513 A1 ist zum Schutz der Verdichterschaufeln vor Verschleiß und mechanischer Zerstörung an der Lufteintrittsseite der Turbine ein kreisförmiger Kanal ausgebildet, an den sich eine ringförmige Reinigungskammer anschließt. Die festen Partikel gelangen über in den Kanal eingebundene Leitmittel mit etwa 20% der zugeführten Luft in die Reinigungskammer und werden aus dieser an einer Stelle nach dem Ejektorprinzip ins Freie abgesaugt, während die von Partikeln im Wesentlichen freie Luft dem Verdichter zugeführt wird. Auch diese Konstruktion an der Lufteintrittsseite erfordert zusätzliche bauliche Veränderungen und ist mit einer Gewichtserhöhung verbunden.
Wenn die Fluggasturbine in einer chemisch verunreinigten Umgebung betrieben wird, die zum Beispiel durch die Abgase anderer Triebwerke gebildet werden kann, tritt an den mit einem Teil der Kompressorkühlluft beaufschlagten Rotorschaufeln der ersten Stufe der Hochdruckturbine, und zwar insbesondere im Bereich des Schaufelfußes bis zur inneren Plattform, eine Sulfidablagerung (Sulfidierung Typ II oder Niedrigtemperatursulfidierung) auf. Dieses Phänomen, das insbesondere bei den thermisch hoch belastbaren Schaufeln aus nickelbasierten Legierungen mit einem geringen Chromanteil zu beobachten ist, hat eine deutliche Verkürzung der Lebensdauer der Schaufeln zur Folge. Die abgelagerten chemischen Partikel führen zu Korrosionserscheinungen wie Grübchenbildung und Lochfraß oder lagern sich in winzige Oberflächenunebenheiten und feine Risse ein und führen zu einer beschleunigten, immer stärkeren Ausbildung der Risse und letztlich zum Bruch der Rotorschaufeln in Stufe I der Hochdruckturbine. Die Niedrigtemperatursulfidierung mit den daraus folgenden Schäden tritt verstärkt beispielsweise bei CMSX-4-Rotorschaufeln, aber auch bei Rotorschaufeln aus anderen Einkristalllegierungen mit geringem Chromgehalt auf.
Die DE 198 34 376 zeigt ein Verfahren zum Kühlen von Leitschaufeln, bei dem ein Teil des den Verdichter durchströmenden Rohgases zumindest einem Staubabscheider zugeführt wird, in dem durch Fliehkraft Schwebstoffe aus dem Rohgas abgesondert werden.
Die DE 33 41 553 zeigt einen Teilchenabscheider, bei dem Teilchen, die in eine Seitenkammer geleitet werden, an einem Rückprallen in die gereinigte Gasströmung gehindert werden. Die US 2003/0077477 zeigt eine Wärmeschutzschicht für Bauteile, bei der ein Verschmelzen der Fasern des der Wärmeschutzschicht durch Einbringen von Inhibitoren verhindert werden soll.
Die US 4,972,672 zeigt einen Einlasskanal einer Gasturbine mit einer Öffnung, über die ein Teil des Kanalstroms in das Triebwerk gelangt, und einer Sperre, um die Kanalstrom bei hoher Drehzahl zu drosseln.
Die US 5,440,874 zeigt eine Turbomaschine mit einer Gebläseeinrichtung auf einem Rotorelement, beispielsweise einer Turbinenscheibe.
In Esslinger, Gabel, Smarsly: „Zukünftige Anforderungen an Hochtemperaturwerkstoffe im Flugturbinenbau”, FVW/FVHT, 26.11.2004, Seiten 1–10, werden Anforderungen im Hochtemperaturbereich von Flugturbinen und dort verwendete Werkstoffe beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasturbinentriebwerk mit verminderter Niedrigtemperatursulfidierung und dadurch erhöhter Lebensdauer der Rotorschaufeln in Stufe I der Hochdruckturbine anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Gasturbinentriebwerk gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass nur der kleine, aus dem Verdichterluftstrom abgezweigte Kühlluftstrom von den chemischen Partikeln, die zu einer Sulfidierung der Rotorschaufeln und den damit verbundenen Folgeschäden führen, befreit wird, indem ein der Hochdruckturbine vorgeschalteter, von Kühlluftkanälen durchdrungener Kühlluftleitring gleichzeitig als Partikelseparator zum Abtrennen der in der Kühlluft für die Rotorschaufeln enthaltenen schädlichen Partikel fungiert. Der für den Betrieb der Fluggasturbine erforderliche restliche – überwiegende – Luftanteil wird hingegen nicht gefiltert. Es wurde gefunden, dass in dem gleichzeitig als Separator ausgebildeten Kühlluftleitring eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung und dauerhafte Ablagerung der chemischen Partikel möglich ist und Lochfraß, Rissbildung und schließlich der Bruch der kriechfesten, aus Legierungen mit geringem Chromgehalt bestehenden, gefährdeten Rotorschaufeln der Hochdruckturbine ausgeschlossen sind.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Kühlluftleitring derart als Partikelseparator ausgebildet, dass der Kühlluftleitring eine Mehrzahl in regelmäßigem Abstand angeordneter Luftleitkanäle aufweist, die aus einem von der Lufteintrittsöffnung ausgehenden axialen Teil und einem an diesen anschließenden tangential verlaufenden Teil bestehen. Gegenüber der Lufteintrittsöffnung ist in den tangentialen Teil eine taschenförmige Vertiefung eingeformt, in die die Partikel aufgrund ihrer Trägheit gelangen und an deren Wänden sie sich anlagern. Die von den Partikeln getrennte Luft strömt in dem tangentialen Teil des jeweiligen Luftleitkanals weiter und gelangt dann zu den Rotorschaufeln der ersten Hochdruckturbinenstufe. Der mit den Partikeln in die Vertiefung gelangende kleinere, nicht im Luftleitkanal weiterfließende Luftanteil strömt über einen Verbindungskanal in den tangentialen Teil eines jeweils benachbarten Luftleitkanals.
Der Luftleitring besteht aus einer gegenüber der durch Sulfidierung hervorgerufenen Korrosion unempfindlichen Legierung, zum Beispiel Hastelloy X. Die Ablagerungen können im Rahmen üblicher Wartungsarbeiten aus den Vertiefungen entfernt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Rückansicht des den Rotorschaufeln der Hochdruckturbinenstufe I vorgeschalteten Kühlluftleitringes; und
3 eine schematische seitliche Teilansicht der Hochdruckturbinenstufe I und des Kühlluftleitringes im Schnitt.
Wie 1 zeigt, gelangt die für den Betrieb des Gasturbinentriebwerks benötigte Luft (Pfeil A) über den Fan 1 zum Hochdruckkompressor 2 und von dort – in hoch verdichtetem Zustand (Pfeil B) – in die Brennkammer 3. An die Brennkammer 3 schließen sich die Hochdruckturbine 4 – jeweils mit den Rotorschaufeln 5 und 6 der ersten und zweiten Stufe – und die Niederdruckturbine 7 an, die mit dem aus der Brennkammer 3 austretenden Heißgas (Pfeil C, Pfeil D) angetrieben werden. Ein geringer Teil der im Hochdruckkompressor 2 verdichteten Luft wird aus dem verdichteten Hauptluftstrom (Pfeil B) abgezweigt und gelangt als Kühlluft (Pfeil E) zum Kühlluftleitring 8 und von dort als gefilterte Kühlluft (Pfeil F) zum Schaufelfuß unterhalb der inneren Plattform 9 der Rotorschaufeln 5 der ersten Stufe der Hochdruckturbine 4 und danach ins Innere der Rotorschaufeln 5. Der Kühlluftleitring 8 weist eine Vielzahl von in regelmäßigem Abstand ausgebildeten Luftleitkanälen 10 auf, die – ausgehend von der Lufteintrittsöffnung 11 – in einem axialen Teil 12 zunächst axial und anschließend in einem tangentialen Teil 13 in tangentialer Richtung verlaufen, so dass die axial einströmende Kühlluft (Pfeil E) in den Luftleitkanälen 10 des Kühlluftleitrings 8 tangential – in Richtung der Rotorschaufeln 5 – umgelenkt wird. In dem der Lufteintrittsöffnung 11 gegenüberliegenden Wandabschnitt des tangential verlaufenden Teils 13 der Luftleitkanäle 10 ist eine taschenförmige Vertiefung 14 ausgebildet. Von dieser Vertiefung 14 zweigt seitlich ein dünner Verbindungskanal 15 ab, der in den tangential verlaufenden Teil 13 des jeweils benachbarten Luftleitkanals 10 mündet.
Die im Innern des Gehäuses der Fluggasturbine zugeführte Kühlluft E für die Rotorschaufeln 5, 6 der Hochdruckturbine 4 strömt zunächst axial in die Luftleitkanäle 10 des Kühlluftleitringes 8 und wird in diesen in tangentialer Richtung umgelenkt. Sofern in der Kühlluft chemische Partikel 16 (in Form von an Schmutzpartikel gebundenen Chloriden, Sulfiden) enthalten sind, die beispielsweise von den Abgasen anderer Triebwerke stammen, werden diese Partikel 16 aufgrund ihrer Trägheit im Luftleitkanal 10 nicht mit umgelenkt, sondern strömen axial weiter unmittelbar in die im gekrümmten Umlenkbereich der Luftleitkanäle 10 eingeformte taschenförmige Vertiefung 14 und lagern sich an deren Wänden haftend an. Die gefilterte Luft F strömt im Luftleitkanal 10 in tangentialer Richtung weiter und gelangt schließlich – frei von ablagerungsfähigen chemischen Bestandteilen – zu den Rotorschaufeln 5. Der in die taschenförmige Vertiefung 14 mit einströmende, ebenfalls gefilterte Luftanteil F' fließt über den Verbindungskanal 15 in den tangentialem Teil 13 eines benachbarten Luftleitkanals 10.
Die mechanisch und thermisch hoch belasteten Rotorschaufeln, die beispielsweise aus einer CMSX-4-Legierung bestehen, bleiben somit frei von chemischen Ablagerungen in Form der sogenannten Niedrigtemperatur-Sulfidierung (Sulfidierung Typ 2), die im Temperaturbereich zwischen 550°C und 750°C auftritt. Die durch die Sulfidierung geförderte Korrosion und fortschreitende Rissbildung in den Rotorschaufeln der ersten Stufe der Hochdruckturbine, die bis zur vollständigen Zerstörung der Schaufeln führen kann, wird unterbunden. An dem thermisch und mechanisch wenig belasteten Kühlluftleitring 8, der zudem aus einem anderen Werkstoff, zum Beispiel Hastelloy X, besteht, führt die Ablagerung der chemischen Partikel 16, die im Rahmen der üblichen Wartungsarbeiten entfernt werden kann, zu keinen Schäden.
Bezugszeichenliste

1: Fan
2: Hochdruckkompressor
3: Brennkammer
4: Hochdruckturbine
5: Rotorschaufeln HDT I
6: Rotorschaufeln HDT II
7: Niederdruckturbine
8: Kühlluftleitring
9: Plattform
10: Luftleitkanäle
11: Lufteintrittsöffnung
12: Axialer Teil v. 10
13: tangentialer Teil v. 10
14: Taschenförmige Vertiefung
15: Verbindungskanal
16: Chem. Partikel
A: Luft zum Hochdruckverdichter
B: verdichtete Luft
C: Heißgas f. HDT
D: Heißgas f. NDT
E: Kühlluft mit chem. Partikeln
F: gefilterte Kühlluft

Claims

Gasturbinentriebwerk mit einem Partikelseparator zum Abtrennen von in der zugeführten Luft enthaltenen Partikeln sowie mit einer Rotorschaufeln einer Hochdruckturbine vorgeschalteten Kühlluftleitvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelseparator zur Ablagerung von in der Kühlluft (E) für die Hochdruckturbine (4) enthaltenen chemischen Partikeln (16) und damit zur Vermeidung einer Niedrigtemperatursulfidierung der Rotorschaufeln in einen von Luftleitkanälen (10) durchdrungenen Kühlluftleitring (8) integriert ist, wobei die in dem Kühlluftleitring (8) in regelmäßigem Abstand angeordneten Luftleitkanäle (10) – ausgehend von der Lufteintrittsöffnung (11) – einen zunächst im Wesentlichen axial verlaufenden Teil (12) und anschließend einen zu den Rotorschaufeln (5) der ersten Stufe der Hochdruckturbine (4) gerichteten tangentialen Teil (13) aufweisen, in den gegenüber der Lufteintrittsöffnung (11) eine taschenförmige Vertiefung (14) als Separator für die in der Kühlluft (E) enthaltenen chemischen Partikel (16) eingeformt ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein seitlich von der Vertiefung (14) ausgehender Verbindungskanal (15) zur Abführung von restlicher gefilterter Kühlluft in den radialen tangentialen Teil eines benachbarten Luftleitkanals (10) mündet.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (5) und Rotorschaufeln (6) der zweiten Stufe der Hochdruckturbine (4) aus einer nickelbasierten Legierung mit geringem Chromgehalt und hoher Kriechfestigkeit bestehen.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (5, 6) aus der Legierung CMSX-4 bestehen.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftleitring (8) aus einer Legierung mit hohem Widerstand gegenüber durch Sulfidierung bedingten Schäden besteht.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Hastelloy X ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Partikelseparator abgelagerten chemischen Partikel mechanisch und/oder chemisch entfernbar sind.