DE2823956A1

DE2823956A1 - Gasturbinentriebwerk und einrichtung zum kuehlen derselben

Info

Publication number: DE2823956A1
Application number: DE19782823956
Authority: DE
Inventors: Robert James Corsmeier; James Paul Rauf
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-06-03
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1978-12-07
Also published as: FR2393151A1; JPS5413809A; IT1096411B; IT7824102A0; US4190398A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und insbesondere auf eine Möglichkeit zum wirksamen Kühlen von Ultrahochtemper atur-Turbinenrotorschauf ein.

Es ist bekannt, daß die Gasturbinentriebwerk-Wellenleistung und insbesondere der spezifische Treibstoffverbrauch, das heißt der Betrag des TreibstoffVerbrauchs pro Ausgangsleistungseinheit, durch Vergrößern der Turbineneinlaßtemperaturen verbessert werden können. Heutige Turbinen sind jedoch bezüglich ihrer Einlaßtemperatur durch die physikalischen Materialeigenschaften beschränkt. Damit Turbinen bei Gasstromtemperaturen arbeiten können, die größer als solche Temperaturen sind, welche die Materialien normalerweise aushalten können, wurden beträchtliche Bemühungen im Zusammenhang mit einer Entwicklung von zweckmäßigen Turbinenkühlungsverfahren unternommen. Bei früheren Turbinengestaltungen war der Kühlungsvorgang von Hochtemperaturkomponenten auf eine Wärmeleitungsübertragung auf kühlere Teile beschränkt, und die Luftkühlung war auf ein Leiten relativ kühler Luft über die Oberfläche der Turbinenrotorscheiben beschränkt.

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Um den mit noch höheren Turbineneinlaßtemperaturen verbundenen Vorteil bezüglich einer möglichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit auszunutzen, werden im Rahmen der modernen Turbinenkühltechnologie hohle Turbinendüsenflügel und -schaufeln benutzt, um einen Betrieb bei Einlaßgastemperatüren in dem Bereich von 1094 bis 1260° C (2000 bis 2300° F) zu ermöglichen. Es wurden verschiedene Techniken entworfen, um diese hohlen Schaufeln und Flügel mit Luft zu kühlen. Hierzu gehören drei Grundformen einer Luftkühlung, die entweder einzeln oder in Kombination angewendet werden, und zwar in Abhängigkeit von dem auftretenden Pegel der Gastemperatüren und von dem zulässigen Maß an Gestaltungsaufwand. Diese Grundformen der Luftkühlung sind als Konvektions-, Prall- und Filmkühlung bekannt. Die US-Patente 3 700 348 und 3 715 170 sind hervorragende Beispiele für eine fortgeschrittene Turbinen-Luftkühlungstechnologie unter Anwendung dieser Luftkühlungsgrundformen .

Die von verbesserten Luftkühlungstechniken erhaltenen Vorteile werden jedoch zumindest teilweise durch das Abziehen der erforderlichen Kühlluft von dem Antriebszyklus aufgehoben. Beispielsweise ist heute sicherlich das populärste Turbinenkühlmittel Luft, die von dem Kompressorabschnitt des Gasturbinentriebwerks abgezapft und zu dem hohlen Inneren der Turbinenschaufeln geleitet wird. In typischer Weise geht die durch den Kompressor dieser Luft erteilte Arbeit bzw. Energie dem Betriebszyklus teilweise verloren. Wenn die Kühlluft durch die Turbinenschaufel zirkuliert, nimmt sie zusätzlich Wärme von den metallischen Schaufeln oder Flügeln auf. Wenn diese erwärmte bzw. erhitzte Kühlluft die Turbinenschaufeln verläßt, vielleicht als ein Kühlmittelfilm, geht diese Wärmeenergie dem Betriebszyklus verloren, da die heissen Gase normalerweise mit den Abgasen vermischt und aus der Triebwerksdüse ausgestoßen werden. Es wäre jedoch ein Kühlsystem wünschenswert, bei dem ein anderes Medium als Kompressorabzapfluft benutzt und die durch das Kühlmedium abgezogene Wärme in einer nützlichen und praktischen Weise in den Betriebszyklus zurückgeführt werden.

Eine Teillösung bezüglich der vorstehenden Probleme stellte der Vorschlag dar, Kühlsysteme mit geschlossener Schleife für Turbinenschaufeln zu benutzen, wobei diese Systeme das Prin-

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zip einer Wiedergewinnung oder Rekuperation benutzen können, um verloren gegangene Wärmeenergie wiederzugewinnen. Eine solche vorgeschlagene Kühlanordnung ergibt sich beispielsweise aus dem US-Patent 2 782 000. Gemäß diesem Patent wird zum Kühlen der Turbinenschaufeln ein geschlossenes Dampf-Thermosyphon-System benutzt. Das Thermosyphon-Prinzip ist dergestalt, daß ein Kühlmittel dazu veranlaßt wird, durch die gesamten hohlen Bohrungen einer Turbinenschaufel unter dem Pumpeinfluß von Zentrifugalkräften zu zirkulieren, und zwar aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen dem aus der Schaufel austretenden erhitzten Kühlmittel (Dampf) und dem in die Schaufel eintretenden Kühlmittel (Dampf oder Wasser). Jede Schaufel ist mit ihrem eigenen Thermosyphon bzw. selbsttätigen Umlauf versehen, dem ein Kühler oder Wärmeaustauscher zugeordnet ist, der seinerseits durch ein zweites Kühlmittel wie Wasser oder Luft gekühlt wird. Die Schwierigkeiten bezüglich der Herstellung des Systems, insbesondere der vorgeschlagenen Wärmeaustauscher vom Rippentyp, verhindern jedoch eine praktische Anwendung bei Flugzeuggasturbinen. Ferner erfordert das System die Verwendung von Wasser (das in einer Flugzeug-Gasturbinentriebwerk-Umgebung normalerweise nicht zur Verfügung steht) oder von Kompressorabzapfluft (mit denselben oben erörterten Nachteilen) für die sekundäre Kühlung.

Ein anderer Aufbau, der das mit geschlossener Schleife arbeitende Thermosyphon-Prinzip benutzt, ergibt sich aus dem US-Patent 2 778 601. Gemäß diesem Patent sind hohle Turbinenschaufeln über radial durch die Turbinenscheibe verlaufende Kanäle mit einem gemeinsamen verzweigten Fluidreservoir verbunden, das eine hohle Turbinenwelle und ein koaxial ringförmiges hohles Zuführungsrohr aufweist. Zu den Nachteilen dieses Aufbaues gehört die Notwendigkeit eines Vorsehens eines Paares von koaxial ringförmigen hohlen Gliedern für eine einzelne Turbinenstufe. Da moderne Gasturbogebläsetriebwerke bereits ohne Thermosyphon-Kühlung mit geschlossener Schleife schon drei koaxial ringförmige Wellen aufweisen, würde ein für diesen Zweck erfolgendes Zufügen einer zusätzlichen Welle den Aufbau natürlich drastisch verkomplizieren. Da alle Schaufeln an eine gemeinsame Versorgung angeschlossen sind, würde eine Leckerscheinung in einer Schaufel zu einem Kühlmittel-

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verlust in allen Schaufeln führen. Ferner neigen die Scheibenkanäle zu einer Verschlechterung des baulichen Scheibenzusammenhalts, einem wichtigen Punkt bei der Gestaltung von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken, und zu einer Vergrößerung der Kosten.

Das US-Patent 2 849 210 betrifft eine Turbine unter Verwendung des mit geschlossener Schleife arbeitenden Thermosyphon-Prinzips, wobei die hohlen Innenräume mit einer ringförmigen Kondensations- bzw. Kühlkammer nahe der Turbinenscheibenbohrung verbunden sind, und zwar durch eine Mehrzahl von Rohren, die sich an einer Seite der Scheibe zwischen einer den Schaufeln zugeordneten verzweigten Verdampfungskammer und der verzweigten Kondensations- bzw. Kühlkammer erstrecken. Jedoch führt ein Kühlmittelverlust von einer Schaufel zu einem Verlust der Kühlfähigkeit für alle Schaufeln. Die empfohlenen Kühlmittel sind ferner Wasser, Natrium, Schwefel, Kalium, Quecksilber und Fluorkohlenstoffe, wobei keines dieser Mittel normalerweise in Gasturbinentriebwerken zur Verfügung steht. Somit müßte das Gewicht lediglich für das Kühlmittel vergrößert werden, und es wird daran erinnert, daß das Gewicht bei der Gestaltung von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken ein anderer wesentlicher Betrachtungspunkt ist. In einer alternativen Ausführungsform dieses Patents besteht die Möglichkeit, daß das externe Kühlmittel Treibstoff oder ein Teil der komprimierten Luft sein kann, die dem Triebwerkbrenner zugeführt wird, wobei in diesen Fällen zumindest ein Teil der von den Turbinenschaufeln abgezogenen Wärme dem Gasturbinentriebwerk als nutzbare Energie wieder zugeführt wird. Jedoch stellt ein Turbinenschaufel-Kühlvorgang, bei dem Treibstoff durch das hohle Schaufelinnere geleitet wird, eine potentielle Feuergefahr dar, und die Verwendung von Kompressorablaßluft hat die oben beschriebenen Nachteile, die das mit geschlossener Schleife arbeitende System vermeiden soll.

Ein anderer Kühlungsaufbau ergibt sich beispielsweise aus dem US-Patent 2 883 151. Gemäß diesem Patent werden die hohlen Turbinenschaufeln wiederum durch das mit geschlossener Schleife arbeitende Dampf-Thermosyphon-Prinzip gekühlt, wobei die Rotorschaufelinnenräume mit sich in Längsrichtung erstreckenden, koaxial ringförmigen Kanälen in der drehbaren Turbinenwelle strömungsmäßig verbunden sind, und zwar über radial durch die Turbi-

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nenscheibe verlaufende Kanäle. Der Thermosyphon wiederum wird durch Treibstoff gekühlt, der durch ein anderes Paar von koaxial ringförmigen Kanälen in einer stationären Stummelwelle innerhalb der sich drehenden Welle zirkuliert. Eine Wärmeübertragung erfolgt durch Konvektion zwischen den sich drehenden und stationären Wellen. Die Schwierigkeit bei der Herstellung doppelt koaxial ringförmiger Wellen ist nicht unbedeutend. Andere Nachteile, die im Zusammenhang mit früheren Systemen erwähnt wurden, sind beispielsweise das Verzweigen bzw. Verbinden (manifolding) aller Schaufeln mit einer gemeinsamen Kühlmittelversorgung, ferner die Nähe des Treibstoffs gegenüber der sich drehenden heißen Turbine und die Verschlechterung des Zusammenhalts infolge der sich radial hindurch erstreckenden Bohrungen.

Ein weiterer Aufbau ergibt sich beispielsweise aus dem US-Patent 3 756 020. Dort wird eine Turbine eines regenerativen Triebwerks von mit einem geschlossenen System arbeitenden, durch Wärmeaustauscher verlaufenden Thermosyphon gekühlt. Die Wärmeaustauscher wiederum werden entweder durch Treibstoff oder durch Luft gekühlt, wobei diese Mittel dann zu dem Brenner geleitet werden. Jedoch verlaufen die einzelnen Schaufelkühlkreise durch die Scheibe, und sie sind an dem Wärmeaustauscher vervielfältigt, wodurch sich die oben erwähnten Nachteile ergeben.

Obwohl somit das Kühlen einer Turbine durch das Thermosyphon-Prinzip und regenerative Triebwerke nicht für sich genommen neu sind, besteht ein Bedarf dafür, diese Prinzipien bei einem Flugzeuggasturbinentriebwerk in einer wirksamen und zuverlässigen Weise anzuwenden.

Dementsprechend ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flugzeug-Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei dem die Turbinenrotorschaufeln gekühlt werden, damit sie den hohen Temperaturen der Verbrennungsgase widerstehen können.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Turbine, bei der die Rotorschaufeln einzeln durch das mit geschlossenem System arbeitende Thermosyphon-Prinzip gekühlt werden.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Flugzeug-Gasturbinentriebwerks, bei dem die

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Wärme von den Rotorschaufeln entfernt bzw. abgezogen und als nutzbare Energie dem Triebwerkleistungszyklus wieder zugeführt wird.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines gekühlten Turbinenrotors, bei dem das Kühlsystem nicht den baulichen Zusammenhalt der Turbinenscheibe oder des Turbinenrotors beeinträchtigt.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines gekühlten Turbinenrotors, bei dem eine Feuergefahr aufgrund des Kühlmittelmediums verringert ist.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines gekühlten Turbinenrotors, bei dem es nicht mehr erforderlich ist, sich auf eine Wärmeübertragung zwischen sich relativ zueinander bewegenden Komponenten zu verlassen.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Flugzeug-Gasturbinentriebwerks mit einem gekühlten Turbinenrotor, bei dem sich das Turbinenkühlsystern an dem kleinstmöglichen Radiusbereich befindet, so daß es die Startunwucht (starting balance) des Rotors nicht nachteilig beeinflußt.

Kurz gesagt werden die obigen Ziele bei einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk durch Vorsehen einer Turbine erreicht, bei der die Rotorscheibe eine Mehrzahl von hohlen Turbinenschaufeln trägt. Diese Schaufeln werden jeweils im Inneren durch das Zirkulieren von Dampf in einer geschlossenen Schleife eines einphasigen Thermosyphon-Systems gekühlt. Jede Schaufel ist mit einem individuellen Dampfkreis versehen, der einen in besonderer Weise an den Außenseiten der Turbinenrotorscheibe befestigten Durchgang bzw. Kanal aufweist. Jeder Durchgang bzw. Kanal einer geschlossenen Schleife verläuft durch einen sich drehenden Wärmeaustauscher, der bei einer Ausführungsform von einem Triebwerkschmiermittelkanal getragen wird. Die von den Schaufeln durch den Dampf absorbierte bzw. aufgenommene Wärme wird von dem Triebwerkschmieröl abgezogen, welches aus dem Schmiermittelkanal durch den Wärmeaustauscher in Wärmeaustauschbeziehung mit den Schleifendurchgängen bzw. -kanälen des Thermosyphons geleitet wird. Das Schmieröl ist dasjenige, welches für die übliche Triebwerkschmierfunktion sorgt, so daß kein zusätzliches Schmiermittel von dem Flugzeug getragen werden muß. Danach wird dieses Öl durch den Triebwerk-Treibstoff oder

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durch den Gebläsebypass-Luftstrom (in einem Gasturbogebläsetriebwerk) gekühlt, und zwar in einem stationären Wärmeaustauscher, der von der Turbine relativ abgelegen ist. Die Verwendung des Treibstoffs als das endgültige Wärmeaufnahmemittel führt zu einem regenerativen Triebwerk, da zumindest ein Teil der von der Turbine abgenommenen Wärme als erwärmter Triebwerk-Treibstoff wieder in den Triebwerkzyklus eingeführt wird. Die Folgen einer Leckerscheinung sind verringert, da jede Schaufel ihr eigenes individuelles und mit geschlossener Schleife arbeitendes Thermosyphon-System hat und da der Treibstoff nicht als das Zwischenkühlmittel benutzt wird.

Wenn in einer Schaufel oder in einem Dampfkreis eine Leckerscheinung entstehen sollte, die schließlich die bauliche Unversehrtheit der Schaufel beeinträchtigen würde, wird ein zweites Kühlmittelsystem vorgesehen. Bei diesem wird Kompressorabzapfluft zu dem hohlen Innenraum einer jeden Schaufel geleitet, wobei ein derartiger hindurchgehender Kompressorabzapfluftstrom normalerweise durch einen Stopfen verhindert wird, der den Eingang zu dem hohlen Schaufelinneren ausfüllt. Wenn die Schaufeltemperatur aufgrund eines unwahrscheinlichen Verlustes der Dampf-Thermosyphon-Kühlwirksamkeit ansteigen sollte, erfolgt ein Schmelzen des Stopfens, der eine niedrigere Schmelztemperatur als die Schaufel hat, so daß Kühlluft in das hohle Schaufelinnere gelangen kann. Durch den Schaufel-Luftflügelabschnitt verlaufende ähnliche Stopfen unterliegen auch einem Schmelzvorgang, damit die Kühlmittelluft aus dem Schaufelinneren austreten kann. Hierdurch wird ein Kühlluft-Durchfluß gebildet, der zwar vermutlich unzureichend ist, um eine unbegrenzte Lebensdauer bzw. Funktionsfähigkeit der Schaufel aufrechtzuerhalten, der jedoch genügt, um den Flugbetrieb zu gewährleisten,bis eine Wartung durchgeführt werden kann. Der Turbinenrotoraufbau, der die Schaufeln, die Scheibe, die Dampf-Thermosyphon-Durchgänge bzw. -Kanäle und den Wärmeaustauscher aufweist, ist in einer solchen Weise gestaltet, daß er ohne Bruch des abgedichteten Dampf-Thermosyphon-Systems in das Triebwerk installiert und aus diesem entfernt werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zeichnerisch dargestellter Ausführungsformen, die sämtlich nur beispielhaften

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Charakter haben und die Erfindung in keiner Weise beschränken sollen. Es zeigen:

Figur 1 - in einer Teilschnittansicht ein Flugzeug-Gasturbostrahltriebwerk nach der vorliegenden Erfindung, wobei der Zusammenhang von verschiedenen Triebwerksystemen schematisch dargestellt ist,

Figur 2 - in einem zu Figur 1 ähnlichen Teilschnitt die Anpassung der vorliegenden Erfindung an ein Flugzeug-Gasturbogebläsetriebwerk vom Doppelrollentyp (dual-spool variety),

Figur 3 - in einem vergrößerten Querschnitt den Turbinenabschnitt des Triebwerks aus Figur 1, wobei das erfindungsgemäße Thermosyphon-Kühlsystem mit geschlossener Schleife detaillierter dargestellt ist,

Figur 4 - in einer vergrößerten Schnittansicht den inneren Kühlkreis einer Turbinenschaufel aus Figur 3,

Figur 5 - einen vergrößerten Abschnitt der Turbine aus der Blickrichtung längs der Linie 5-5 aus Figur 3, wobei der Verlauf der Kühlmittelkanäle längs der Seiten der Turbinenscheibe detaillierter dargestellt ist,

Figur 6 - in einer Figur 3 ähnelnden Ansicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem sekundären Kühlsystem,

Figur 7 - in einer Figur 4 ähnelnden Ansicht den inneren Kühlkreis der Turbinenschaufel gemäß der Ausführungsform aus Figur 6,

Figur 8 - in einer vergrößerten isometrischen Ansicht ein Mittel zum Befestigen der Thermosyphon-Kühlkanäle an den Seiten der Turbinenscheibe aus Figur 3,

Figur 9 - in einer Explosionsansicht die Befestigungsmittel aus Figur 8,

Figur 10 - die Befestigungsmittel in einem Schnitt längs der Linie 10-10 aus Figur 8,

Figur 11 - die Befestigungsmittel aus Figur 8 in einer detaillierteren, teilweise geschnittenen Draufsicht,

Figur 12 - eine Figur 8 ähnelnde Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Befestigungsmittel und

Figur 13 - die Befestigungsmittel aus Figur 12 in einer auseinandergezogenen bzw. Explosionsansicht.

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In den Zeichnungen bezeichnen ähnliche Hinweiszahlen einander entsprechende Elemente. In Figur 1 ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Flugzeug-Gasturbostrahltriebwerk allgemein mit 2o bezeichnet und schematisch dargestellt. Während Turbostrahltriebwerke heute in der Technik bekannt sind, verbessert eine kurze Beschreibung der Betriebsweise des Triebwerks eine Abschätzung der gegenseitigen Beziehung der verschiedenen Komponenten im Hinblick auf die zu beschreibende Erfindung. Grundsätzlich kann das Triebwerk so betrachtet werden, daß es einen Axialstromkompressor 22 aufweist, der einen Rotor 24, welcher eine Vielzahl von drehbaren Schaufelreihen 26 (Rotoren) trägt, und ein Kompressorgehäuse 28 hat, welches eine Vielzahl von stationären Schaufelreihen 3o (Statorglieder) trägt, die mit den Rotorschaufelreihen 26 alternierend verschachtelt sind. In den Kompressoreinlaß 32 tritt Luft ein, die von dem Axialstromkompressor 22 verdichtet und dann zu einem Brenner 34 abgelassen wird. Dort wird die Luft mit Treibstoff gemischt, der durch bekannte Mittel, wie einen Flugzeug-Treibstofftank 35 und eine Triebwerk-Treibstoffsteuerung 36 bekannter Art, und in Abhängigkeit von Drossel- bzw. Gaseingangsgrößen des Piloten zugeführt wird. Es erfolgt ein Verbrennungsvorgang, um hochenergetische Verbrennungsgase zu bilden, die einen Turbinenrotor 38 antreiben. Dieser weist eine Turbinenscheibe 4o auf, die eine Vielzahl von Turbinenrotorschaufeln 42 trägt, von denen aus Klarheitsgründen nur eine dargestellt ist. Die Turbinenscheibe 4o treibt ihrerseits den Kompressorrotor 24 über eine verbindende Welle 43 in der für ein Gasturbinentriebwerk üblichen Weise an. Eine stationäre Reihe von Turbinendüsenflügein 44 leitet den Strom zu den sich drehenden Turbinenschaufeln. Somit wird durch das Ablassen von Verbrennungsgasen aus einer repräsentativen Düse 46, die teilweise von einem Kegel 48 und einer umgebenden Ummantelung 5o bestimmt wird, eine in Figur 1 nach links gerichtete Antriebskraft erhalten.

Das Triebwerk aus Figur 1 ist ferner mit einem Schmiersystem versehen, welches einen öltank oder -behälter 52 und eine Pumpe 54 enthält. Diese sorgt für ein Zuführen von unter Druck stehendem öl durch Leitungsmittel, wie eine Leitung 56 und Düsen 58, um eine rückwärtige Triebwerkslagerung 6o zu schmieren, und

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auch durch eine Leitung 64 und Düsen 66, um eine vordere Triebwerkslagerung 68 zu schmieren. Ein Teil des Öls wird auch durch eine Leitung 7o und eine Düse 72 in das Innere 74 eines drehbaren ölkanals 76 gepumpt, welcher über eine kegelstumpfförmige Welle 78 mit dem Turbinenrotor 38 verbunden und hiermit drehbar ist. Der Kanal 76 ist leicht konisch, um wie eine Pumpe zu arbeiten und das Öl in einen vorderen Lagerung-ölsumpf 8o zu leiten, von dem das Öl durch die Pumpe 82 über eine Leitung 84 zum Öltank zurückgepumpt wird. Der Zweck des ölkanals 76 wird sehr bald im Laufe der Beschreibung der Erfindung ersichtlich. Dem Fachmann ist es jedoch geläufig, daß bestimmte Flugzeug-Gasturbinentriebwerke routinemässig mit einem mittigen ölkanal versehen werden, der dem Kanal 76 ähnelt und als eine Leitung zum Führen sowie Verteilen des Schmiermittels zu verschiedenen Lagerungen dient. Ein diesbezügliches Beispiel ist in dem US-Patent 3 248 880 aufgezeigt. Dementsprechend kann der Kanal 76 oder sein Äquivalent bereits in einem Gasturbinentriebwerk vorhanden sein oder wie hier zu dem Schmiersystem hinzugefügt werden, und zwar für den Zweck der vorliegenden Erfindung.

Es wird nunmehr die Aufmerksamkeit auf die Figuren 3 und 4 gerichtet, in denen der Turbinenrotorabschnitt des Triebwerks aus Figur 1 detaillierter dargestellt ist. Am Umfang einer drehbaren Turbinenscheibe 4o gehaltene Turbinenschaufeln 42 sind mit einem aerodynamisch geformten Luftflügelabschnitt 86 und einem Grund- oder Fußabschnitt 88 zum Befestigen an der Scheibe versehen, wie durch die bekannte Schwalbenschwanzmethode (siehe Figur 5). Die relativ dünnen Außenwandungen des Flügelabschnitts begrenzen einen im wesentlichen hohlen Innenraum in Form von Serpentinenkanälen 9ö. Mit den vorderen und hinteren Enden des Schwalbenschwanzfußes 88 einer jeden Schaufel 42 sind entsprechend relativ dünnwandige Rohre 92 und 94 verbunden, die mit dem hohlen Inneren der Schaufel über zwei Zugangsöffnungen, einen Einlaß 95 und einen Ausgang 97, in Strömungsverbindung stehen. Die Rohre 92 und 94 sind durch ein U-förmiges Rohr 96 miteinander verbunden, um für jede Schaufel eine geschlossene Kanalschleife zu bilden. Somit entspricht die Anzahl solcher geschlossener Kanalschleifen der Anzahl von Turbinenschaufeln in dem Turbinenrotor,

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Dem Ölkanal 76 ist ein hiermit drehbarer Wärmeaustauscher 98 zugeordnet, durch den jede geschlossene Kanalschleife und im einzelnen jedes Rohr 96 verläuft. Dieser ringförmig gestaltete Wärmeaustauscher weist ein inneres Ende, das von einem Teil des drehbaren Ölkanals 76 bestimmt wird, und eine äußere konzentrische Wandung loo auf, wobei sich dazwischen Böden Io2 und 1o4 zum Bestimmen eines inneren Hohlraums 118 erstrecken. Diese Böden haben eine ausreichende Dicke, um eine Leckerscheinung im Umfangsbereich der Rohre 96 zu vermeiden, wo die Verbindungsstellen Io6 (wo die Rohre die Böden durchdringen) gelötet oder geschmiedet (swaged) sind. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese Verbindungsstellen Io6 freiliegen, um ein visuelles Überprüfen zu erleichtern. Ferner könnten die Böden 1o2 und Io4 einen doppelwandigen Aufbau haben, um eine noch bessere Abdichtung im Umfangsbereich der Rohre 96 sicherzustellen. An der äußeren Wandung 1oo des Wärmeaustauschers sind zwei oder mehr radiale Flansche Io8, Ho befestigt, die die freiliegenden Abschnitte der Rohre 96 halten. Gleitkragen (wear collars) 112 sind an den Rohren 96 an den Stellen befestigt, wo sie von den Flanschen 1o8, 11o erfaßt werden, um ein Abnutzen bzw. Abscheuern der Rohre zu vermeiden.

Wie es zuvor erörtert wurde, ist der ölkanal 96 konisch, um öl durch einen zentrifugalen Pumpvorgang hindurchzupumpen. Ein sich einwärts erstreckender ringförmiger Damm 114 sorgt dafür, daß zumindest ein Teil des Öls durch Einführungsmittel, wie eine Mehrzahl von Löchern 116, von denen aus Klarheitsgründen nur eines dargestellt ist, in die innere Kammer 118 des Wärmeaustauschers 98 abgelenkt wird. Im Inneren des Wärmeaustauschers sind Labyrinthmittel vorgesehen, die beispielsweise eine Reihe von radialen Wandungen 12o aufweisen, welche das Öl über, unter und um die Rohre 96 leiten, um in einer noch zu beschreibenden Weise hiervon Wärme aufzunehmen. Eine alternative Methode zum Bilden einer ölzirkulation würde darin bestehen, eine archimedische bzw. Drehschnecke (Archimedean screw) vorzusehen, die durch das Innere des Wärmeaustauschers über dessen gesamte Länge verläuft. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausfuhrungsform bilden die radialen Wandungen 12o eine weitere Abstützung für die Rohre 96 in der sich drehenden Umgebung. Mittel zum Ablassen des Öls aus dem Wärmeaustauscher 96 weisen beispielsweise eine zweite Mehrzahl von Löchern 122 auf,

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von denen aus Klarheitsgründen wiederum nur eines dargestellt ist. Das Öl tritt somit wieder in das Innere des Ölkanals 76 ein, wie es durch die Pfeile in Figur 3 dargestellt ist. Um unabhängig von kleineren Änderungen bezüglich der Triebwerkslage (beispielsweise wenn sich ein Flugzeug im Steig- oder Neigungsflug befindet) einen konstanten Ölstrom durch den Wärmeaustauscher zu ermöglichen, sind die Ölaustrittslöcher 122 auf einem größeren Radius als die Öleinlaßlöcher 116 angeordnet.

Die vorliegende Erfindung schlägt Mittel vor, um die Turbinenschaufeln hauptsächlich auf dem Thermosyphon-Prinzip mit Dampf als primärem Kühlmedium zu kühlen, obwohl es klar ist, daß auch andere Kühlmittel, wie flüssige Metalle (Kalium und Natrium) bei bestimmten Anwendungen gleich gut geeignet sein könnten. Die die Rohre 92, 94 sowie 96 und Schaufeln 42 aufweisenden Kanäle des geschlossenen Systems können mit dem Kühlmittel teilweise gefüllt werden, und zwar über eine Zugangsöffnung (nicht dargestellt), die danach zum Erhalten des abgedichteten Systems verstopft wird. Diese Kühlmittel zum Kühlen der Schaufeln arbeiten wie folgt: Wenn Wasser als Kühlmittel benutzt wird, wandelt es sich in Dampf um, wenn der Turbinenrotor bei erhöhten Temperaturen arbeitet. Da sich die Dampfdichte mit der Temperatur ändert, wird der durch den Wärmeaustauscher 98 gekühlte Dampf radial nach außen durch die Rohre 92 in die. serpentinenförmigen Schaufelkanäle 9o getrieben. Wenn dieser Dampf umläuft, nimmt er durch die Wandungen des Schaufelflügelabschnitts 86 geleitete Wärme auf, wodurch seine Dichte vermindert wird. Hierdurch strömt der Dampf radial einwärts durch die Rohre 94 in den Wärmeaustauscher, wo der Vorgang ständig wiederholt wird. Die von dem Dampf während des Durchlaufens der Schaufeln aufgenommene Wärme wird durch das Schmieröl entfernt bzw. abgenommen, das in Wärmeaustauschbeziehung mit den Rohren 96 durch den sich drehenden Wärmeaustauscher strömt. Das Schmieröl wird danach über Mittel, wie die Leitung 84, durch einen zweiten Wärmeaustauscher geleitet, der in Figur 1 bei 124 dargestellt ist und in dem das öl und der in dem Brenner 34 zu verbrennende Treibstoff (in den Leitungen 123, 125) in Wärmeaustauschbeziehung gehalten werden. Somit wird zumindest ein Teil der von den Turbinenschaufeln absorbierten bzw. aufgenommenen Wärme wieder als erwärmter

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Treibstoff in den Arbeitszyklus zurückgeführt. Das vorliegende Prinzip einer Verwendung von zwei Wärmeaustauschern, des Dampföl Wärmeaustauschers 98 (Mittel zum Kühlen des Dampfes) und des Öl-Treibstoff Wärmeaustauschers 124 (Mittel zum Kühlen des Öls), hat einen wesentlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen regenerativen Kühlprinzipien, da der Treibstoff unter einem beträchtlichen Abstand von dem heißen Turbinenrotorabschnitt gehalten wird, wodurch die Gefahr eines gefährlichen Feuerausbruchs im Falle einer Leckerscheinung reduziert wird. Ferner bedeutet der durch die Schaufeln zirkulierende Dampf keineswegs eine Feuergefahr.

Es ist wichtig, daß der Wärmeaustauscher tangential, axial und radial fest mit der Turbinenscheibe 4o verbunden ist, um sicherzustellen, daß sich die Turbinenrotorscheibe, die Welle 43 und der ölkanal 76 als ein System drehen, und um ein überflüssiges Biegen, Dehnen oder Verdrillen der Dampfrohre 92, 94 und zu vermeiden. Zu diesem Zweck sind Mittel, wie eine Verriegelung 126, zwischen der Turbinenscheibe 4o und dem Wärmeaustauscher 98 vorgesehen, um zu verhindern, daß sich der Wärmeaustauscher in bezug auf die Scheibe dreht. Zusätzlich sorgen Positionierungsmittel, wie beispielsweise eine Lippe und Fuge 128 am Bauglied 13o, das sich von der Turbinenwelle 43 einwärts erstreckt, dafür, daß der Wärmeaustauscher in bezug auf die Turbinenscheibe und -welle radial sowie axial positioniert wird.

In den Figuren 3, 5 und 8-11 ist ein System zum mechanischen Befestigen der Rohre 92 und 94 an den entsprechenden Aussenseiten .132, 134 der Turbinenscheibe 4o dargestellt, um hierdurch zu verhindern, daß die von dem Dampf erzeugte Wärme den baulichen Zusammenhalt der Scheibe beeinflußt. Es ist festzustellen, daß diese Rohre außerhalb der Scheibe und nicht durch diese verlaufen, um hierdurch den baulichen Zusammenhalt weiter zu verstärken. Das nunmehr zu beschreibende mechanische Befestigungsverfahren ermöglicht ferner ein leichtes Montieren und Austauschen von Rohren 92, 94 und Schaufeln 4o.

Haltemittel, wie eine Mehrzahl von radial verteilten Ringen 136, sind einstückig mit der Scheibe 4o ausgebildet und erstrecken sich allgemein axial von den Stirnseiten der Scheibe. Diese Ringe dienen zum axialen, radialen und tangentialen Halten

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sowie Positionieren der Rohre 92, 94 in bezug auf die Scheibe. Wie es am besten in den Figuren 8-11 dargestellt ist, wo ein Teil eines solchen Rings 136 größer bzw. detaillierter aufgezeigt ist, ist jeder Ring mit einer Mehrzahl von am Umfang verteilten D-förmigen Schlitzen 138 versehen, deren Anzahl derjenigen der Rohre 92 oder 94 an der entsprechenden Scheibenseite entspricht und die so geformt sind, daß sie Rohr-Gleitkragen (wear collars) 14o aufnehmen, die zuvor auf den Rohren 92, 94 angeordnet und möglicherweise hieran durch Löten festgelegt wurden. Alternativ könnten elastische Gleitrohre (wear tubes) vorgesehen werden, wenn dieses zweckmäßig ist. Die Gleitkragen sind mit oberen und unteren Lippen 142, 144 ausgebildet, die den Ring 136 zwischen sich einschließen und die dazu dienen, die Rohre radial zu lokalisieren. Diese Kragen schützen auch die Rohre vor einer Abnutzung infolge eines Reibungseinflusses, der durch Triebwerksschwingungen und zyklische Wärmevorgänge begründet wird. Nachdem die Kragen 14o in ihren entsprechenden D-förmigen Schlitzen 138 installiert sind, wird ein Verriegelungsmittel, wie ein gespaltener Blockierring 146, in eine Haltenut 148 eingesetzt, die vorzugsweise vor dem Einarbeiten der Schlitze 138 längs des unteren Randes des Rings 136 eingearbeitet wurde. Der Blockierring 146 vervollständigt die Festlegung des Kragens 14o und verhindert vor allem eine axiale Bewegung desselben. Die radiale Bewegung des Blockierrings wird wiederum durch den Grund bzw. das Ende des Schlitzes 148 beschränkt.

Wie es am besten in Figur 5 dargestellt ist, sind die Rohre 94 (und in ähnlicher Weise die Rohre 92 an der anderen Scheibenseite) zwischen allen Scheibenringen 136 und zwischen dem radial äußersten Ring 136 sowie den Schaufelfüßen 88 mit einer Reihe von S-förmigen Biegungen ausgebildet. Diese Biegungen sorgen für eine Elastizität bzw. Biegsamkeit der Rohre und verhindern ein darin erfolgendes Ausbilden von Rissen infolge des zentrifugalen Kraftfeldes und der zyklischen Wärmevorgänge. Diese Biegsamkeit ist auch vom Montagestandpunkt wünschenswert, und zwar wegen des Zusammenkommens von Toleranzen der Schaufeln, Scheiben, Rohre, Gleitkragen und des Wärmeaustauschers.

Die Figuren 12 und 13 zeigen eine alternative Ausführungsform bezüglich der mechanischen Befestigung der Rohre 92 und

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94 an ihren entsprechenden Scheibenseiten. Demnach ist ein leicht modifizierter Kragen 15o längs seiner Längsachse in zwei Hälften gespalten, die um die Rohre herum angeordnet werden können, bevor ein Einsetzen in die Schlitze 138 aus den Figuren 8-11 erfolgt. In allen anderen Punkten entsprechen die Funktion und der Aufbau den oben beschriebenen Einzelheiten. Der gespaltene Kragen gewährleistet jedoch eine größere Anpassungsfähigkeit bei der Montage, da die Rohre nunmehr vor dem Zufügen bzw. Ansetzen des Kragens gebogen werden können, statt umgekehrt. Alternativ könnten die Ringe 136 durch eine Mehrzahl von in einem Ring angeordneten U-förmigen Haltegliedern 152 ersetzt werden, deren Anzahl in jeder Reihe wie zuvor der Anzahl der Rohre entspricht. Wiederum würden D-förmige Schlitze die Kragen eines Typs 14o oder 15o aufnehmen, und die Halter würden an den Scheibenstirnseiten beispielsweise durch Schrauben 153 (Figur 13) befestigt werden, die durch das Grundglied 154 eines jeden U-förmigen Haltegliedes greifen. Das Merkmal des gespaltenen Halterings 146 aus den Figuren 8-11 könnte wie in Figur 13 dargestellt beibehalten werden, oder es könnten einzelne Haltebänder 156 in den Schlitzen eines jeden Halters 154 installiert werden, wobei die Enden der Bänder dann um 180° zurückgebogen und durch Heftschweißen wie bei 158 miteinander verbunden werden. Dem Kragen 15o könnte ferner eine elastische Einlage 155 hinzugefügt werden, und zwar für eine Schwingungsdämpfung zwischen dem Rohr und dem Kragen. Während die mechanischen Befestigungen aus den Figuren 8-13 im Zusammenhang mit einer Anwendung bei einer sich drehenden Scheibe dargestellt sind, ist es klar, daß diese Befestigungen gleichermaßen zweckmäßig für ein Befestigen irgendeines Rohrgebildes an irgendeinem stationären oder drehbaren Aufbau wären.

Wiederum auf das am besten in Figur 3 dargestellte gesamte Turbinenrotor-Kühlsystem Bezug nehmend, ist es leicht ersichtlich, daß jedem einzelnen geschlossenen Dampfkreis nur vier Dampfrohr-Verbindungsstellen zugeordnet sind, die sämtlich für ein leichtes visuelles Überprüfen freiliegen. Im einzelnen sind diese Verbindungsstellen mit 16o zwischen den Rohren 92 sowie 96, mit 162 zwischen dem Rohr 92 sowie der Einlaßseite des Fußes 88 der Schaufel 42, mit 164 zwischen der Auslaßseite der Schaufel

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sowie des Rohrs 94 und mit 166 zwischen den Rohren 94 sowie 96 bezeichnet. Wenn mehr oder weniger Rohrabschnitte angewendet werden, erfolgt natürlich ein entsprechendes Vergrößern oder Vermindern der Anzahl von Verbindungsstellen. Alle Verbindungsstellen sind gelötet oder geschweißt, ohne die Scheibe 4o einem Ofenlötzyklus zu unterwerfen, der die großen Festigkeitseigenschaften der Scheibe wesentlich reduzieren könnte.

Beim Herstellen des gekühlten Turbinenrotors werden alle bis auf zwei Verbindungsstellen vor der Installation der Scheibe hergestellt. Im einzelnen werden der Wärmeaustauscher mit den Rohren 96, die Rohre 92 und die Schaufel 42 zusammengebaut und zu einer Einheit verlötet. Eine Attrappenscheibe könnte als eine Vorrichtung benutzt werden, um diese verschiedenen Komponenten während des Lötzyklus in ihrer korrekten relativen Ausrichtung zu halten. Danach würden die Verbindungsstellen einer Druckprüfung unterworfen und die Scheibe axial bis zu ihrer entsprechenden Position eingesetzt. Dann würde die andere Hälfte des Rohrs 94 installiert und verlötet, wobei eine Induktionsspule an den Verbindungsstellen 164 und 166 benutzt wird. Nachdem alle Dampfverbindungsstellen hergestellt und jeder Schaufelkreis einer Druckprüfung unterworfen worden ist, wird eine kleine Wassermenge (oder ein anderes ausgewähltes Kühlmittel) durch eine nicht dargestellte öffnung in jeden Kreis eingeführt, wobei die Öffnungen dann verstopft werden, um jeden Kreis abgedichtet zu halten. Zur Vervollständigung des Turbinenrotoraufbaues werden die Wellen 43 und 78 wie bei 168 und 17o an der Scheibe angeschraubt (Figur 3). Nach dem Abgleichen bzw. Auswuchten ist der Aufbau fertig für eine Triebwerksinstallation. Da die Scheiben-Rohre und der Wärmeaustauscher von Wellen 43 und 78 umgeben sind, stellen Windverluste (windage losses) von den Rohren kein Problem dar.

Das Austauschen einer Turbinenschaufel ist eine relativ einfache Angelegenheit. Zuerst werden der Turbinenrotor 38 von dem Triebwerk entfernt und die Wellen 43 sowie 78 vom Rotor gelöst. Das Rohr 92 kann beispielsweise an der Stelle 171 abgeschnitten werden, und das Rohr 94 kann unmittelbar unter der Verbindungsstelle 164 zerschnitten werden. Dann können die fehlerhafte Schaufel aus ihrem Schwalbenschwanzschlitz 173 (siehe Figur

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5) nach vorne verschoben und jegliches restliches Kühlmittel aus dem Kreis entfernt werden. Eine Austauschschaufel wird dannin den Schwalbenschwanzschlitz eingesetzt, und die Rohre 92 sowie werden unter Verwendung von Lötkupplungen wieder angeschlossen. Danach werden Kühlmittel hinzugefügt, wie bei der ursprünglichen Schaufel, und der Turbinenrotor ausgewuchtet und wieder installiert.

Figur 2 zeigt, wie ein ähnliches Dampf-Thermosyphon-System in einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk vom Doppelrollen-Turbogebläse-Typ installiert werden könnte, und zwar im Gegensatz zu dem Einfachrollen-Turbostrahltriebwerk aus Figur 1. Wie es in der Technik klar ist, gelangen die heißen Verbrennungsgase nach dem Antreiben des Turbinenrotors 38 (diese Terminologie bei Turbogebläsetriebwerken bezieht sich auf den Hochdruckturbinenrotor) zu einer zweiten Niederdruckturbine 172, die angetrieben wird und die in typischer Weise mehrstufig ausgebildet ist. Die Niederdruckturbine treibt ihrerseits über eine kegelstumpfförmige Welle 174 und eine innere Antriebswelle 176 ein an der Vorderseite angebrachtes Gebläse (nicht dargestellt) an. Die innere Antriebswelle ist hohl und bestimmt in ihrem Inneren einen Schmieröl (Kühlmittel) -Kanal 178. Ein etwas modifizierter, zur Welle 176 konzentrischer Wärmeaustauscher 18o ist mit der Scheibe 4o und der Welle 43, wie oben erörtert, verbunden. Jede geschlossene Schleife des Schaufelkühlmittelkanals verläuft in ähnlicher Weise durch diesen modifizierten Wärmeaustauscher. Ein konischer Ölkanal 182 ist an dem vorderen Ende des Wärmeaustauschers beispielsweise durch eine Schraubverbindung 184 befestigt. Schmieröl tritt durch eine öldüse 185 in den Kanal bzw. Durchgang 178 ein. Eine Mehrzahl von öffnungen 188 in der Antriebswelle 176 ermöglicht ein Strömen des Öls in den ringförmigen Raum 19o zwischen der Antriebswelle 176 und der inneren Wandung 192 des Wärmeaustauschers 18o. Ein zumindest teilweise durch den Kanal 178 verlaufender Damm 194 lenkt das Öl in die Öffnungen 188 ab. Rückhaltedichtungen (wind-back seals) 196, 198 an dem inneren Durchmesserbereich des Wärmeaustauschers halten das öl davon ab, an anderer Stelle als nur durch eine zweite Mehrzahl von öffnungen 2oo in der Wandung 192 und in den Wärmeaustauscher zu strömen. Somit bilden die öffnungen 188, 2oo und der

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Ringraum 19o ein Beispiel für eine Strömungsverbindung zwischen dem Kühlmittelkanal 178 und dem Wärmeaustauscher 18o. Selbst im Falle eines Vorbeiströmens des Öls an den Rückhaltedichtungen würde es lediglich zu den vorderen oder hinteren, in Figur 2 nicht dargestellten Triebwerk-ölsümpfen fließen. Das öl fließt aus dem Wärmeaustauscher durch Mittel ab, die eine Strömungsverbindung zwischen dem Wärmeaustauscher 18o sowie dem Kanal 182 herstellen, wobei diese Mittel beispielsweise eine Reihe von öffnungen 2o2 in dem vorderen Boden 2o4 aufweisen. Im Inneren des Ölkanals bzw. -rohrs 182 und unter Abstand zwischen der Welle 176 sowie dem Kanal bzw. Rohr 182 befindet sich ein Zwischenkanal bzw. -rohr 2o5, der bzw. das von dem Kanal bzw. Rohr 182 über Abstandshalterstege 2o8 getragen wird und einen in Fluidströmungsverbindung mit dem Wärmeaustauscher 18o stehenden Kühlmittel-Ringraum 2o7 begrenzt. Der Kanal bzw. das Rohr 2o6 verhindert ein Tropfen von öl auf die Antriebswelle 176, wenn die Drehbewegung des Triebwerks angehalten wird. Somit ist ein System für ein Gasturbogebläsetriebwerk dargestellt, bei dem der Wärmeaustauscher, der sich mit der Drehzahl der Turbinenscheibe 4o dreht, mit einem Schmiermittel von einer inneren Welle 176 versorgt wird, die sich mit der Drehzahl der Niederdruckturbine dreht. Somit ist der in der geschlossenen Schleife erfolgende selbsttätige Umlauf bzw. das Thermosyphon-Prinzip mit Modifikationen gleichermaßen bei Gasturbinentriebwerken vom Turhostrahl- und Turbogebläse-Typ anwendbar.

In Figur 2 ist in schematischer Weise auch eine alternative Ausführungsform des sekundären Wärmeaustauschers dargestellt. Während sich Figur 1 mit der Verwendung eines Öl-Treihstoff-Wärmeaustauschers befaßt, um zumindest einen Teil der von den Schaufeln abgenommenen Wärme wiederzugewinnen und in Form von erwärmtem Treibstoff in den Triebwerkzyklus zurückzuführen, wodurch sich die Funktionsweise eines regenerativen Triebwerks ergibt, kann es bei einigen Anwendungen ausreichend sein, das regenerative Merkmal zu eliminieren und hierdurch das System zu vereinfachen. Ein Gasturbogebläsetriebwerk eignet sich besonders gut zum Verwenden eines schematisch bei 21 ο dargestellten und in dem Gebläsebypasskanal (nicht dargestellt) angeordneten Radiators zum Entfernen bzw. Abführen der Wärme von dem öl, indem dieses in Wärmeaustausch-

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beziehung mit dem Gebläsebypassstrom gebracht wird. Bei dieser Ausführungsform würde jedoch die Wärme in bezug auf den Betriebszyklus verloren gehen. Somit ist es bevorzugt, immer dort das regenerative System aus Figur 1 zu benutzen, wo dieses praktisch möglich ist.

Gemäß den Figuren 1 und 3 ist dem Kompressorrotor 24 eine Radialeinfluß-Kompressorstufe 212 zum Abziehen eines Teils der komprimierten Luft von dem Kompressor zugeordnet. Ein Teil dieser Abzapfluft zirkuliert im Inneren der Wellen 43 und 78, wobei sie durch öffnungen 214 im Bauglied 13o einen Zugang zu der Turbinenscheiben vorfindet. Diese Abzapfluft hält die Schaufelfußteile und die Scheibe auf einem reduzierten Temperaturpegel und bildet eine zusätzliche Kühlung für die einzelnen Dampf-Thermosyphon-Kreise.

Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf die Figur

7 gerichtet, wo eine Ausführungsform eines besonderen sekundären Kühlsystems für die nach dem Thermosyphon-Prinzip mit geschlossener Schleife gekühlten Turbine schematisch dargestellt ist. Dieses sekundäre Kühlsystem benutzt die Abzapfluft von dem Kompressorrotor 24. Dieses sekundäre Kühlsystem wird benutzt, um für eine teilweise Turbinenschaufelkühlung in dem unwahrscheinlichen Fall eines Ausfallens des Dampf-Thermosyphon-Kreises zu sorgen.

Figur 7 zeigt eine etwas abgewandelte Turbinenschaufel 216, die als primäre Kühlmethode das im geschlossenen Kreis arbeitende bampf-Thermosyphon-Prinzip aus den Figuren 3 und 4 aufweist. Dampf tritt durch das Rohr 92 in den hohlen, serpentinenartigen Innenraum 218 der Schaufel ein und strömt über das Rohr 94 ab, wie es oben beschrieben wurde. Das Schaufelinnere kann jedoch auch in eine mögliche Fluid-Strömungsverbindung mit einer sekundären Kühlmittelversorgung treten, und zwar über die Bohrung 22o in dem Schaufelfuß. Die sekundäre Kühlmittelversorgung weist Kompressorabzapfluft auf, die in die Schaufeln hochgezogen bzw. gesaugt wird, und zwar durch ein herkömmliches Randeintrittssystem (nicht dargestellt), wobei jede Schaufelbohrung 22o in der Nähe des äusseren Randes der Turbinenscheibe angeordnet ist. Ein solches System ist im US-Patent 3 891 348 angegeben, auf das hiermit Bezug genommen wird. Unter normalen Betriebsbedingungen wird die sekun-

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däre Kühlmittelluft an einem Eintreten in das Innere der Turbinenschaufeln durch erste Ausfüllungsmittel gehindert, wie einen Schmelzpfropfen 226, der den Bohrungsdurchgang 22o abblockt. Der Pfropfen 226 ist aus einem Material hergestellt, welches einen Schmelzpunkt hat, der niedriger liegt als derjenige des Schaufelhauptgebildes. Der Schaufel sind ferner für das sekundäre Kühlmittel dienende Ablaßmittel zugeordnet, die in einer Ausführungsform Gußlöcher 228 im Spitzenbereich der Schaufel sind, wobei die Löcher ebenfalls mit Ausfüllungsmitteln in Form von Schmelzpfropfen 23o versehen sind. Ähnlich wie die Pfropfen 226 haben die Pfropfen 23o eine Schmelzpunkttemperatur, die kleiner als diejenige des primären Turbinenschaufelmaterials ist. Unter normalen Betriebsbedingungen wird die Schaufel durch das Dampf-Thermosyphon-Prinzip gekühlt. Bei einem Ausfallen des primären Dampfkühlungssystems erfolgt ein Ansteigen der Temperatur einer Schaufel, wodurch die Pfropfen 23o schmelzen. Wenn die Temperatur noch weiter ansteigt, erfolgt ein Schmelzen des inneren Pfropfens 226, und die sekundäre Kühlluft strömt in das Schaufelinnere und durch die Löcher 228 aus der Schaufel. Während dieses sekundäre Kühlsystem unzureichend sein kann, um die Schaufeltemperaturen auf Pegeln zu halten, die eine lange Lebensdauer sicherstellen, wird die Schaufel durch dieses System lange genug betriebsbereit gehalten, um ein Flugzeug zu einer Wartungseinrichtung zurückkehren zu lassen, wo das primäre Kühlsystem repariert werden kann.

Bei einer in Figur 6 dargestellten alternativen Ausführungsform könnte die sekundäre Kühlluft durch radial verlaufende Bohrungen hochgezogen werden, die sich in einer leicht modifizierten Turbinenscheibe 224 befinden. Die Herstellung und der Betrieb einer solchen Bohrungseintritt-Turbinenscheibe sind vollständig in den US-Patenten 3 588 277, 3 742 706 und 3 982 852 beschrieben, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Abzapfluft wird durch die mit den Schaufelbohrungen 22o in Strömungsverbindung stehenden Turbinenscheibenbohrungen 222 radial nach außen gepumpt. Eine andere Ausfuhrungsform würde darin bestehen, einen kleinen sekundären Luftkühlkreis zusammen mit dem primären Dampfkreis, jedoch fluidmäßig hiervon getrennt, in der Schaufel zu gießen bzw. zu formen. Bei allen diesen Sekundärkühlungssystemen ist festzu—

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stellen, daß die Verwendung von sekundärer Kühlluft auf Kosten der Leistungsfähigkeit und des Wirkungsgrades des Triebwerkzyklus erfolgt. Die Lösung mit der zweifachen Kühlung hat jedoch den Vorteil einer vergrößerten Zuverlässigkeit.

Es ist nunmehr ersichtlich, daß das hier beschriebene Turbinenschaufelkühlsystem viele Vorteile gegenüber bekannten Systemen hat. Beispielsweise ist der Dampf-Öl-Wärmeaustauscher so gestaltet und in dem Triebwerk in einer solchen Weise angeordnet, daß er nicht die Konfiguration oder Ausbildung von nahegelegenen Teilen verändert, da er in einem Bereich angeordnet ist, der sonst leer ist. Somit führt der Wärmeaustauscher nicht zu einer Vergrösserung der Länge oder des Durchmessers des Triebwerks. Da der Wärmeaustauscher an dem kleinstmöglichen Durchmesserbereich angeordnet ist, ergibt sich ein kompakter, leichter Aufbau, der keine großen Belastungen und praktisch keine Gleichgewichts- bzw. Unwuchtprob lerne aufweist, da alle Schaufelkühlmittelkreise gleiche Kühlmittelmengen haben. Andere flüssigkeitsgekühlte Turbinen litten unter Schwingungsproblemen, da jede Schaufel oder jeder Kreis von einer gemeinsamen Quelle gespeist wurde, wie von einer Steuerungseinrichtung oder einem Verteiler. Ferner werden nach der vorliegenden Erfindung herkömmliche Turbinenscheiben und ein gemeinsames, sicheres, bereits an Bord befindliches, sekundäres Kühlmittel (öl) benutzt. Die flüchtigeren Treibstoff-Kühlmittel sind von dem Turbinenrotoraufbau getrennt. Das System wendet herkömmliche Herstellungstechniken mit relativ preiswerten, langlebigen Turbinenschaufeln an. Man verläßt sich in minimaler Weise auf wertvolle Kompressorabzapfluft. Es sind jedoch Mittel vorgesehen, um diese Luft in einer sekundären Weise als Sicherheits-Kühlmittelsystem zu benutzen. Die mit kleinem Durchmesser erfolgte Auslegung ist ideal, um diese sekundäre Kühlluft in die und aus den Schaufeln zu leiten. Auch kann das System die Grundlage für ein regeneratives Triebwerk mit resultierenden Verminderungen bezüglich des spezifischen TriebwerktreibstoffVerbrauchs sein. Schließlich ist jede Schaufel mit einem individuellen Kühlkreis versehen, so daß ein Ausfallen eines Kreises nicht notwendigerweise die gesamte Turbine gefährdet.

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Vt

Dem Fachmann sollte es klar sein, daß unter Berücksichtigung der obigen Beschreibung im Rahmen der vorliegenden Erfindung bestimmte Änderungen vorgenommen werden können.

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3O Leerseite

Claims

Ansprüche

JJ Verfahren zum Kühlen einer Turbinenschaufel eines Gasturbinentriebwerks, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufel mit Dampf durch das mit geschlossenem Kreis arbeitende Thermosyphon-Prinzip gekühlt wird, wodurch der Dampf erwärmt wird, daß der so erwärmte Dampf gekühlt wird, indem er in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Schmiermittel gebracht wird, wodurch dieses erwärmt wird,und daß das so erwärmte Schmiermittel gekühlt wird, indem es in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Triebwerk-Treibstoff gebracht wird, wodurch dieser erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der so erwärmte Treibstoff verbrannt wird.
3. Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch eine beschaufelte Turbine (38), durch Mittel (92, 94) zum Kühlen einer Schaufel (42, 216) der Turbine (38) mit Dampf durch das mit geschlossenem Kreis arbeitende Thermosyphon-Prinzip, wodurch der Dampf erwärmt wird, durch Mittel (98, I80) zum Kühlen des so erwärmten Dampfes, indem dieser in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Schmiermittel gebracht wird, wodurch dieses erwärmt wird,und durch Mittel (124) zum Kühlen des so erwärmten Schmiermittels, indem dieses in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Triebwerk-Treibstoff gebracht wird, wodurch dieser erwärmt wird.
4. Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch einen Brenner (34), durch Mittel (123, 125) zum Zuführen von Treibstoff zu dem

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Brenner (34) , durch eine beschaufelte Turbine (38) , die von den heißen Verbrennungsgasen angetrieben wird, durch ein Schmiersystem, durch Mittel (9o, 92, 94) zum Kühlen einer Schaufel (42, 216) der Turbine (38) mit Dampf durch das mit geschlossenem Kreis arbeitende Thermosyphon-Prinzip, durch Mittel (9 8, 18o) zum Kühlen des so erwärmten Dampfes, indem dieser in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Schmiersystem gebracht wird, und durch Mittel (124) zum Kühlen des so erwärmten Schmiermittels, indem dieses in Wärmeaustauschbeziehung mit den Treibstoff-Zuführungsmitteln (123, 125) gebracht wird.
5. Gasturbinentriebwerk mit einem Brenner, mit Mitteln zum Zuführen von Treibstoff zu dem Brenner und mit einer Turbinenrotorscheibe, die eine Vielzahl von Turbinenschaufeln trägt, welche durch die heißen Verbrennungsgase angetrieben werden, gekennzeichnet durch einen mit der Scheibe (4o, 224) drehbaren hohlen Kanal (76, 178), durch Mittel zum individuellen Kühlen einer jeden Schaufel (42, 216) durch das Thermosyphon-Prinzip, durch einen ersten Wärmeaustauscher (98, 18o), der mit der Turbinenscheibe (4o, 224) verbunden und hiermit drehbar ist, wobei jedes Schaufelkühlungsmittel (92, 94, 96) durch den ersten Wärmeaustauscher (98, 18o) verläuft, durch einen zweiten Wärmeaustauscher (124) , durch einen in dem radial Inneren des Kanals (76, 178) angeordneten Kühlmitteldurchgang (116, 188), der in serieller Fluidströmungsverbindung mit den ersten und zweiten Wärmeaustauschern (98, 18o; 124) steht, und durch Mittel (123, 125), die die TreibstoffZuführungsmittel (35, 36) strömungsmässig mit dem zweiten Wärmeaustauscher (124) verbinden.
6. Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch einen Brenner (34), durch Mittel (35, 36) zum Zuführen von Treibstoff zu dem Brenner (34), durch eine Turbinenscheibe (4o, 224), die eine Vielzahl von Turbinenschaufeln (42, 216) trägt, welche von den heißen Verbrennungsgasen angetrieben werden, durch einen mit der Scheibe (4o, 224) drehbaren hohlen Kanal (76, 178), durch ein Schmiersystem, das das hohle Innere (74) des Kanals (76, 178) als einen Schmiermitteldurchgang enthält, durch Mittel

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(92, 94) zum individuellen Kühlen einer jeden Schaufel (42, 216) durch das Thermosyphon-Prinzip, durch einen ersten Wärmeaustauscher (98, 18ο), der mit der Scheibe (4o, 224) verbunden und hiermit drehbar ist, wobei durch den ersten Wärmeaustauscher (9 8, 18o) jedes Schaufelkühlungsmittel (92, 94, 96) verläuft, durch Mittel (116, 188) zum Einführen zumindest eines Teils des Schmiermittels in den Wärmeaustauscher (98, 18o) sowie in Wärmeaustauschbeziehung mit den Schaufelkühlungsmitteln (92, 94, 96), durch einen zweiten Wärmeaustauscher (124), durch Mittel (54, 84) zum Leiten des so erwärmten Schmiermittels in den zweiten Wärmeaustauscher (124) und durch Mittel (123, 125), die das TreibstoffZuführungssystem (35, 36) strömungsmäßig mit dem zweiten Wärmeaustauscher (124) verbinden.
7. Turbine, gekennzeichnet durch eine eine Vielzahl von hohlen Schaufeln (42, 216) tragende Rotorscheibe (4o, 224), durch Mittel (92, 94) zum individuellen Kühlen der Schaufeln (42, 216) durch das Thermosyphon-Prinzip mit einem als geschlossene Schleife ausgebildeten Durchgang (96) für jede mit der Scheibe (4o, 224) drehbare Schaufel (42, 216), durch einen mit der Scheibe (4o, 224) drehbaren hohlen Kanal (76, 178), durch einen mit dem Kanal (76, 178) verbundenen sowie hiermit drehbaren Wärmeaustauscher (9 8, 18o) und durch einen im radial Inneren des hohlen Kanals(76, 178) sowie in Fluidströmungsverbindung mit dem Wärmeaustauscher (98, 18o) angeordneten Kühlmitteldurchgang (74), wobei alle als geschlossene Schleifen ausgebildeten Durchgänge (96) durch den Wärmeaustauscher (98, 18o) verlaufen.
8. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Kanal (76, 178) mit der Scheibe (4o, 224) verbunden ist.
9. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (98, 18o) von dem Kanal (76, 178) getragen wird.
10. Turbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer jeden Schaufel (42, 216) zwei Zugangsöffnungen (95, 97) zum höh-

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len Schaufelinneren (9o) zugeordnet sind, wobei eine Öffnung (9 5) einen Einlaß sowie die andere Öffnung (97) einen Auslaß bilden und wobei der geschlossene Schleifendurchgang ein mit dem Einlaß und dem Auslaß verbundenes Rohrgebilde (92, 94) aufweist.
11. Turbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (98, 18o) allgemein koaxial ringförmig zum Kanal (76, 178) ausgebildet bzw. angeordnet ist.
12. Turbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (98, 18o) eine Innenwandung, die einen Teil des drehbaren Kanals (76, 178) ausmacht, eine allgemein konzentrisch zur Innenwandung verlaufende Außenwandung (1oo) und ein Paar von Böden (1o2, 1o4) enthält, die sich zwischen der Innenwandung sowie der Außenwandung (1oo) erstrecken und eine Innenkammer (118) begrenzen.
13. Turbine nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel (116, 188) zum Einführen eines Kühlmittels aus dem Kühlmitteldurchgang (74) in die Innenkammer (118), durch Labyrinthmittel (12o) zum Leiten eines Kühlmittels um die geschlossenen Schleifendurchgänge (96) innerhalb der Kammer (118) und durch Mittel (122, 2o2) zum Ablassen von Kühlmittel aus dem Wärmeaustauscher (98, 18o) in den Kühlmitteldurchgang (74).
14. Turbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Kanal (76, 178) den Kühlmitteldurchgang (74) bestimmt und daß die Mittel zum Einführen sowie die Mittel zum Ablassen durch den Kanal (76, 178) verlaufende Löcher (188, 2o2; 116, 122) aufweisen.
15. Turbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Labyrinthmittel eine Reihe von Zwischenwänden bzw. Umlenkblechen (12o) aufweisen, die sich abwechselnd von der Innenwandung und der Außenwandung Moo) erstrecken.

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16. Turbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossenen Schleifendurchgänge (96) durch die Böden (1o2, 1o4) sowie die Zwischenwände (12o) verlaufen und hiervon teilweise abgestützt werden.
17. Turbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführungsmittel (116, 188) an einem kleineren Radiusbereich als die Ablaßmittel (122, 2o2) angeordnet sind.
18. Turbine nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch Mittel zum Verblocken der Scheibe (4o, 224) und des Wärmeaustauschers (98, 18o) zum Verhindern einer dazwischen erfolgenden relativen UmfangsVerlagerung.
19. Turbine nach Anspruch 12, ferner gekennzeichnet durch einen sich von der Außenwandung (1oo) radial auswärts erstreckenden Flansch (1o8, 11o), durch den die geschlossenen Schleifendurchgänge (96) verlaufen und von dem diese teilweise abgestützt werden.
20. Turbine nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch eine antriebsmäßig mit der Scheibe (4o, 224) verbundene Welle und durch Mittel, die mit der Welle verbunden sind sowie sich mit dem Wärmeaustauscher (98, 18o) in Eingriff befinden, um diesen radial und axial in bezug auf den Rotor und die Welle zu positionieren .
21. Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch eine Hochdruckturbine (38), die eine Scheibe (4o) mit einer Vielzahl von hohlen Schaufeln (42) hat, durch eine stromabwärts von der Hochdruckturbine (38) angeordnete Niederdruckturbine (172), durch eine hohle Welle (176), die antriebsmäßig mit der Niederdruckturbine

(172) verbunden ist und die in ihrem Inneren einen Kühlmitteldurchgang (178) bestimmt, durch Mittel (92, 94) zum individuellen Kühlen der Schaufeln (42) durch das Thermosyphon-Prinzip mit einem geschlossenen Schleifendurchgang (96) für jede mit der Scheibe (4o) drehbare Schaufel (42) , durch einen ersten

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Wärmeaustauscher (18ο), der allgemein konzentrisch um die hohle Welle (176) verläuft sowie mit der Scheibe (4o) drehbar ist, und durch Mittel (188) zum Bilden einer Fluidströmungsverbindung zwischen dem Kühlmitteldurchgang (178) sowie dem ersten Wärmeaustauscher (18o), wobei jeder der geschlossenen Schleifendurchgänge (96) durch den ersten Wärmeaustauscher '. 18o) verläuft.
22. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 21, ferner gekennzeichnet durch einen allgemein konischen Kanal (182), der mit dem ersten Wärmeaustauscher (18o) verbunden ist und allgemein konzentrisch um die hohle Welle (176) verläuft, und durch Mittel (2o2) zum Herstellen einer Strömungsverbindung zwischen dem ersten Wärmeaustauscher (18o) und dem konischen Kanal (182).
23. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 22, ferner gekennzeichnet durch einen zwischen dem konischen Kanal (182) und der Welle

(176) befindlichen Zwischenkanal (2o6), der mit dem konischen Kanal (182) zusammenarbeitet, um dazwischen einen Kühlmittelringraum zu bestimmen, der sich in Fluidströmungsverbindung mit dem ersten Wärmeaustauscher (18o) befindet.
24. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 21, ferner gekennzeichnet durch ein mit der hohlen Welle (176) antriebsmäßig verbundenes Gebläse, mit dem ein Luftstrom unter Druck gesetzt wird, durch einen Gebläsebypasskanal zum Aufnehmen der Druckluft und durch einen zweiten Wärmeaustauscher (21o), der sich in Fluidströmungsverbindung mit dem Gebläsebypasskanal und dem ersten Wärmeaustauscher (18o) befindet.
25. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch ein Schmiersystem, wobei ein Teil des Schmiermittels das Kühlmittel ausmacht, welches nacheinander durch den Kühlmitteldurchgang (178), den ersten Wärmeaustauscher (18o), in dem es sich in Wärmeaustauschbeziehung mit den geschlossenen Schleifendurchgängen (96) befindet, und den zweiten Wärmeaustauscher (21o) gelangt, in dem es sich in Wärmeaustauschbeziehung mit der Druckluft befindet.

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26. Verfahren zum Kühlen eines Gasturbinentriebwerks mit einem

Brenner, mit Mitteln zum Zuführen von Treibstoff zu dem Brenner, mit einem ein Schmiermittel enthaltenden Schmiersystem,
mit einer Turbinenrotorscheibe, die eine Vielzahl von hohlen
Turbinenschaufeln enthält, welche von den heißen Verbrennungsgasen angetrieben werden, mit einem mit der Scheibe drehbaren ersten Wärmeaustauscher und mit einem zweiten Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel mit Dampf durch das Thermosyphon-Prinzip individuell gekühlt wird, daß das Schmiermittel nacheinander durch die ersten und zweiten Wärmeaustauscher geleitet wird, daß der Dampf durch den ersten Wärmeaustauscher geleitet wird und daß Treibstoff durch den zweiten
Wärmeaustauscher geleitet wird.

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